用于生产纤维素纸浆的纤维状材料半碱性蒸汽爆裂法处理 本发明涉及蒸汽爆裂制浆法。具体地说，本发明涉及在半碱性制浆液中木素纤维素材料脱木素的方法，在此方法中，原料的处理是用蒸汽爆裂法。
用于制纸等的纤维素可以从含纤维素和/或半纤维素的的有机纤维材料通过有机纤维材料制浆得到纤维素纸浆而获得。一般地地，有机纤维材料也含大量的木素。在纤维素纸浆转化成最后产品之前，优选至少将大部分的木素除去。这对用于生产漂白级纸的低卡伯值纸浆(例如卡伯值在12-14的纸浆)是特别优选的。一般用于这些纸浆的漂白方法是用氯或二氧化氯，得到最后的卡伯值为1-2和白度大于85％ISO的漂白纸浆。
已经开发了许多方法，将有机纤维材料制浆，得到的纤维素纸浆用于生产纸。约在1866年首先工业化的是亚硫酸盐制浆法。此后，几乎一世纪后，约在20世纪的60年代末之前，亚硫酸盐法是在碱性的pH(例如11-12)中和大气压下进行的。这种方法的优点是，其纸张的强度和漂白的容易类似于硫酸盐法制浆法。
在更近的发展中，开发了操作在半-碱性pH范围(例如约7.5-10)和一般在大气压下的亚硫酸盐法制浆法(半碱性的亚硫酸盐或SAS制浆法)。这些方法可以制造适用于生产漂白细纸的纸浆(例如在漂白前卡伯值12-14和漂白后卡伯值1-2)。通过在半碱性范围内操作，从制浆过程中可以得到较高未漂白纸浆产率(例如55-65％)和较高漂白纸浆产率(例如55％)。另外，有机纤维材料的脱木素也得到改进。
此外，最近的另一项进展是在制浆过程中引入增产剂，增产剂如蒽醌，由于它们在制浆中可以增加产量(例如，为没有用增产剂产量地130％)，以及使有机纤维材料的脱木素中得到进一步改进，所以是又效益的。尽管蒽醌是相当昂贵的化学品，由于其应用增加了产率和改进了脱木素，已经适用于许多制浆操作中。这写操作中之一的实例是使用蒽醌的半碱性亚硫酸盐制浆法(SASAQ)。还有一个实例是碱-AQ法(蒽醌和碱法制浆相结合)。
蒽醌的一个缺点是其成本。由于其单位成本高，蒽醌在碱法制浆中还未得到广泛应用。此外，这种方法还使下游的化学回收系统出现问题，导致维护成本升高。
令人吃惊地发现，通过将用于有机纤维材料的制浆的蒸汽爆裂法同使用半碱性制浆液结合起来，可大大地提高产率，同时，仍能生产用于制造漂白纸(例如用于生产打印纸和书写纸、薄纸和新闻纸)的未漂白的纸浆。具体地说，按照本发明的方法，可以得到低卡伯值的未漂白的纸浆，即卡伯值12-16，优选为12-15，最优选为12-14的未漂白的纸浆，而且，这写产率可以与SASAQ法得到的产率相比，但是没有使用蒽醌。因此，可以得到可与SASAQ法相同的产率的同时，也大大地降低了化学负荷(例如降低25％)。
本发明的一个实施方案提供了一种由原料生产低卡伯值的未漂白的纸浆的制造方法，此法包括将原料在蒸煮器中在半碱性pH下进行蒸汽爆裂处理以生产纸浆。
本发明的另一实施方案提供了一种从原料生产纸浆的方法，此法包括将原料在反应器中在半碱性制浆液存在下进行蒸汽爆裂处理以生产纸浆。
本发明的又一实施方案提供了一种适合从原料生产漂白纸的制浆方法，此法包括：
(a)将原料曝露于半碱性的制浆液中，得到处理过的原料；以及
(b)将处理过的原料在反应器中进行蒸汽爆裂处理，得到未漂白纸浆；以及
(c)回收未漂白纸浆。
在和生产未漂白纸浆的同一位置或在另外位置将未漂白的纸浆进行漂白和处理可得到漂白的纸。
优选在将处理过的原料加入蒸煮器之前从处理过的原料中除去制浆液。
优选在没有增产剂存在下将原料曝露于蒸汽爆裂方法的条件下。已经用于现有技术的增产剂的实例包括蒽醌和多硫化物。
本发明的方法可以在不用蒽醌下以停留时间约6分钟生产产率达60％的未漂白纸浆。另外，这些产率可以用卡伯值14的纸浆达到。
具体地说，本发明的蒸汽爆裂的纸浆与浓缩机(筛过的)浆和皮带洗涤机(未过筛的)纸浆相比具有较低的浆块含量和较高的微细纤维的含量。因此，蒸汽爆裂处理过的纸浆具有较低的平均纤维长度。吃惊的是，尽管平均纤维长度较低，但是本发明方法生产的蒸汽爆裂的纸浆与浓缩机的纸浆相比，显示出卓越的破裂强度和断裂长度和稍低的撕裂强度。因此，本发明的方法使用少达25％的化学负荷得到有价值的商业纸浆。
本发明方法所用的原料可以是任何的在生产纤维素纸浆领域所熟知的有机纤维材料。原料可以由任何含纤维素和/或半纤维素的材料组成。原料优选包括木材或非木材的纤维材料，更优选的是蔗渣，谷草、软木、硬木、工业废料如南菲槿麻、大麻等。
将原料在半碱性制浆化学品存在下曝露于蒸汽爆裂处理的条件下。按照本发明的第一个优选的实施方案，原料首先曝露于半碱性制浆液中得到原料/制浆液混合物。然后将此混合物进行蒸汽爆裂处理。或者，在原料吸收了制浆化学品后，事实上可以浸于其中，则在将原料曝露于蒸汽爆裂方法条件之前，制浆液可以与原料分离。
原料优选曝露于制浆液中足够的时间，使得制浆液中的足够的制浆化学品被原料吸收，以促进原料的脱木素。原料可以曝露于半碱性制浆液中，如通过将原料和制浆液加到容器中并使原料长时间浸泡在制浆液中。进行本发明这一步的方法和设备在这一领域是熟知的。在原料吸收了足够量的化学品以促进原料的脱木素后，然后可以将原料进行蒸汽爆裂处理。
在本发明的第二个优选实施方案中，首先将原料不浸于半碱性制浆液中，而是将原料和半碱性制浆液一起送到反应器(如蒸煮器)中，在这里，在制浆液的存在下原料受到蒸汽爆裂处理。按照这一实施方案，原料曝露于制浆化学品作为蒸汽爆裂方法的一部分。
在该领域，蒸汽爆裂法是熟知的。蒸汽爆裂一般是指将纤维在相当短的时间(例如0.5-10分钟)曝露于高压蒸汽中，然后将产物爆发地排到大气中的方法。蒸汽爆裂可以间歇式或连续地进行。
在这种方法中，原料被升压(优选约为100-500磅/平方英寸，更优选为约150-400磅/平方英寸，最优选为约190-240磅/平方英寸)和高温(优选为约180-240℃，更优选为约190-220℃，最优选为约195-210℃)下。温度和停留时间之间存在反比关系。如果温度低于此范围，则停留时间增加，造成设备尺寸的必然增加。因为蒸汽爆裂方法的设备必须耐足够的压力，所以为增加停留时间而使设备所需尺寸的增加，从而使设备极为昂贵，如果温度大大超过240℃，则在原料中的纤维素将开始降解，从而使蒸汽爆裂法的产率降低。
由于相当高的温度和压力，蒸汽爆裂法的停留时间相当短。例如，原料的停留时间可以由约4-8分钟，更优选为约4-约7分钟，最优选为约5-6分钟。
反应器可以是在该领域熟知的任何蒸汽爆裂蒸煮器。由于停留时间相当短，蒸汽爆裂法优选连续地进行而不是间歇地进行。例如，如在该领域所知的，蒸汽爆裂法可以在蒸煮器中进行，蒸煮器包括有位于其中中央的螺旋的取样钻的纵向伸长的圆筒部件。取样钻将原料从蒸煮器的进料端运输到蒸煮器的排放端。原料可以例如通过一种设备送到蒸煮器中。这种设备包括安装在导管和往复环形的位置(辞位置同螺旋运输机同轴并部分围绕螺旋运输机)的螺旋输送机。这种装置的实例公开在美国专利4,186,658和4,947,743中，这些专利在此引为参考。
原料的水分含量可以为水和原料重量的约10-65％重量，更优选为约30-65％重量，最优选为约50％重量。如果原料含水太多，则原料开始具有液体流动性能，就现有的技术来说，以工业规模在连续蒸汽爆裂蒸煮器中引入液体原料是不现实的。如果原料含水太少，则不能达到蒸汽爆裂的自动水解效应。
包括足够浓度的制浆化学品的半碱性制浆液的半碱性pH为约7.5-10，更优选为约7.5-9.5，最优选为约8-9。如在上面所讨论的，制浆液优选不含增产剂，如蒽醌和多硫化物。半碱性制浆液可包括一种或多种亚硫酸盐、碳酸盐和氢氧化物。这些可以是Ⅰ族和Ⅱ族元素的亚硫酸盐、碳酸盐和/或氢氧化物，如钙、钾、钠、镁和铵。
半碱性的制浆液可以包括占制浆液总量约4-25，更优选为约6-20，最优选为约8-16％重量的制浆化学品。在本发明的一个优选的实施方案中，制浆液包括占制浆液总重约0.5-25，更优选为约1-15，最优选为约2-12％重量的制浆化学品(以炉干纤维为基础的Na2O表示)。
蒸汽爆裂法的产品是低卡伯值纸浆，纸浆的卡伯值为12-16，优选为12-15，最优选为12-14。
实施例1
湿的去芯的蔗渣经空气干燥到水分含量为50％重量。样品从切块大小和外观看是干净和均匀的。蔗渣的10％淤浆的pH经测定为约6.2。含水分50％重量的蔗渣样品块通过将蔗渣曝露于制浆液(温度为60)中浸于半碱性制浆液中20小时。液的比例保持在4∶1。在蒸汽爆裂前，将所有的浸渍的样品过滤以除去过量的制浆液。
蒸汽爆裂法苛刻度可以按照下式计算：
R0=1×exp[(T=100)/14.75]
式中，
R0=强度系数，以分钟计，
t=反应时间，以分钟计
T=蒸汽温度，以℃计
浸渍后的蔗渣样品在此按照本发明的蒸汽爆裂法和碱-AQ方法和SASAQ方法进行处理。方法的条件和产率列于表1：
表1参数 蒸汽爆裂法 碱-AQ法 SASAQ法过程苛刻度(log Ro) 3.7 3.1 3.5过程温度℃ 200 170 176过程压力(千帕/磅/平方英寸) 1450/210 720/105 790/115停留时间(分钟) 6 12 20荷性碱负荷(纤维外径以Na2O) - 10 -亚硫酸蒸馏(纤维外径以Na2O) 10.0 - 13.0碳酸盐负荷(纤维外径以Na2O) 2.0 - 2.5AQ负荷(％重量/重量纤维) 不加AQ 0.05 0.05未漂白浆产率(％) 60 50 60
蒸汽爆裂方法具有的强度系数最高(3.7，而碱-AQ和SASAQ方法分别为3.1和3.5)。而且，蒸汽爆裂法没有使用任何蒽醌。尽管这样，蒸汽爆裂法得到的未漂白纸浆的产率为60％，这产率比得上SASAQ法(使用了0.05％重量的AQ负荷)。而且，这比碱-AQ法的未漂白纸浆的产率高10％。
重要的是，达到60％产率的时间比SASAQ法要少的多。特别是，得到60％产率，SASAQ法需要20分钟的停留时间。与其相比，蒸汽爆裂法使用的停留时间仅为6分钟。因此，得到相同的产率，蒸汽爆裂法的停留时间为SASAQ法的不足1/3。因此，使用本发明的方法，可以处理的材料量几乎为SASAQ法材料量的三倍，或这一方法所用的设备尺寸仅为约1/3。
实施例2
使用本发明的蒸汽爆裂法纸浆达到的强度和光学性质与在该领域中的浓缩机纸浆和带式洗涤机纸浆的相同性质进行了比较。用TAPPI标准方法得到了纸浆的白度、打浆度和卡伯值。结果示于表2。
表2蔗渣浆白度(％ISO)细度(CSF) 卡伯值带式洗涤机浆(未过筛的) 43.8 673 19.1浓缩机浆(过筛的) 45.0 590 13.3蒸汽爆裂浆(未过筛的) 44.4 470 14.0
从上表可以看出，蒸汽爆裂法得到的纸浆与带水纸浆相比卡伯值低的多。而且，蒸汽爆裂纸浆的白度和带式洗涤机纸浆和浓缩机纸浆几乎相同。
用Bauer McNett分级器测定了三种纸浆的纤维分级。而且，按照TAPPI标准方法测定的蒸汽爆裂法的纸浆的松密度、破裂强度和撕裂强度比得上带洗纸浆和浓缩机纸浆。结果示于表3和表4。
表3 蔗渣浆850微米425微米150微米75微米微细纤维纤维长度(毫米)带式洗涤机浆(未过筛的)12.77 18.63 35.82 10.80 22.00 1.13浓缩机浆(过筛的)6.09 18.51 44.78 9.90 20.72 1.01蒸汽爆裂浆体(未过筛的)2.18 10.76 32.24 16.41 38.41 0.77
表4蔗渣浆 松密度(微米/gsm)破裂强度(千帕/gsm)断裂长度(千米)撕裂强度(毫牛/gsm)带式洗涤机浆(未过筛的) 2.11 1.54 2.26 5.01浓缩机浆(过筛的) 2.18 1.72 3.10 6.48蒸汽爆裂浆(未过筛的) 1.76 2.90 4.26 5.49
从表3可以看出，蒸汽爆裂的纸浆的浆块含量低(＞850微米，与浓缩机纸浆和带式洗涤机纸浆相比)，另外，它还有较高的微细纤维含量，因此，得到较低的平均纤维长度。而且从表4可以看出，较低的纤维长度对纸浆的强度没有不利的影响。与带式洗涤机纸浆和浓缩机纸浆相比，蒸汽爆裂的纸浆显示出卓越的破裂强度和断裂长度。只是比浓缩机纸浆的撕裂强度稍低。
总之，上面的实施例证明，在高压和低停留时间下，蒸汽爆裂制浆得到强度、白度和卡伯值可与碱-AQ和SASAQ法相比的纸浆，并且未漂白纸浆的产率为60％。另外，与SASAQ法相比，这是由较低的化学品用量达到的。
实施例4
蒽醌的效果在两种化学负荷和两种方法的苛刻度下进行了研究以测定在蒸汽爆裂制浆过程中蒽醌对纸浆产率的影响。所达到的化学负荷和产率列于表5。
表5实验号 Na2SO3 (％) Na2CO3 (％) 苛刻度 (log Ro) AQ (％) 产率 1 4.0 2.0 3.2 0.05 85 2 4.0 2.0 3.2 0 86 3 8.0 2.0 3.2 0.05 79 4 8.0 2.0 3.2 0 80 5 4.0 2.0 3.5 0.05 60 6 4.0 2.0 3.5 0 61
比较实验1和2,3和4，以及5和6可以看出，蒽醌的加入不会明显改变达到的产率。因此，在所试验的条件下，蒽醌的加入对纸浆产率没有影响。