提高回收纤维质量的制浆方法

专利名称：提高回收纤维质量的制浆方法
技术领域：
本发明通常涉及纤维素材料的处理方法。更具体地说，涉及回收纤维素材料的制浆过程，以制备适用于高质量白纸产品的高质量纸浆。
如美国专利5147503公开的，纸板典型地是由原浆制造。原浆的制备方法包括在高温下用碱性蒸煮液与木材片反应或蒸煮。木质素是木材片的成分，在纤维素纸浆的制备中通过蒸煮液溶解。制备的纸浆的特征依赖于从木材片中除去木质素的程度，即依赖于最终纸浆的残余木质素含量。卡伯值代表残余木值素含量的测量值。卡伯值较高表示残余木质素水平较高。通过在硫酸盐蒸煮液中蒸煮软木材得到的未漂浆的卡伯值典型的为50～100，这种纸浆用于制造挂面纸板或瓦楞纸板。通过在硫酸盐蒸煮液中蒸煮硬木材得到的未漂浆的卡伯值典型的为130～160，这种纸浆用于制造瓦楞纸板的瓦楞芯纸。硬木材未漂浆的卡伯值需降到约10～15，而软木材未漂浆的卡伯值需降到约25～35，以提供适于漂白的纸浆，以制备白纸产品。含有挂面纸板和瓦楞芯纸的瓦楞纸板废料的卡伯值约为80～120。
Streisel等的美国专利5587048，以及Hank等的5538594和5597447公开了在蒸煮器前制备废纤维素材料，并用白液或白液与黑蒸煮液的混合物处理纸浆，以制备纸张产品的方法和装置。
Phillips等的美国专利6017415公开了将废纤维素材料与木材片结合，以提供纤维素纸浆的方法和装置。
Naddeo等的美国专利5211809、5324390、5332471和Nguyen等的5486268公开了用氧和其他试剂从回收的纸浆中除去染料和/或木质素的方法和装置。
Naddeo等的美国专利5213661和5338401公开了用氧，和作为选择用氧和其他化学品去除粘胶的粘性的方法。
上述参考文献无一教导向蒸煮处理中加入绿液，以提供低木质素水平、高粘度和高纤维强度的回收纤维素纸浆，使纸浆能用于制造高质量的白纸产品，从而提高纤维素纤维有用循环的数量。
处理废纤维素材料的优选的方法包括将废纤维素材料和含有绿蒸煮液的蒸煮溶液置于蒸煮器中，和在一定温度、压力和化学荷载量(chemical charge)下在蒸煮器中蒸煮纤维素材料一定时间，以形成基本制成浆的纤维素材料的步骤。蒸煮溶液还可含有至少白液、黑液、蒽醌或其衍生物、与胺相关的液体(aminerelated liquor)、醇如甲醇或乙醇，以及亚硫酸盐蒸煮液(sulfite liquor)。
在优选的方法中，蒸煮溶液可含有绿液和40-99％的白液，或更优选的45-95％的白液，或甚至更优选的60-80％的白液，或最优选的约70％的白液和约30％的绿液。
废纤维素材料可含有初始卡伯值至少为约50的瓦楞纸盒和/或新闻纸，而制成浆的纤维素材料可具有约40或更低的卡伯值。制成浆的纤维素材料可具有至少约16-17cP的粘度，而蒸煮优选在以纸浆总干重计为约9-13.5％总碱量(total alkali)的化学荷载量下进行。
优选的方法还可包括从制成浆的纤维素材料中回收黑液，和向蒸煮器中加入至少部分回收的黑液。
其他优选的方法包括蒸发至少部分回收的黑液以形成浓黑液，燃烧至少部分浓黑液以从溶解的有机物如木质素和碳水化合物中回收能量，和形成回收的、基本是无机的绿液，向蒸煮器中加入至少部分回收的绿液，还可包括将未加入蒸煮器中的至少部分回收的绿液苛性化，以形成回收的白液，并向蒸煮器中加入至少部分回收的白液。
本发明优选的实施方式可包括在蒸煮器中或在送入蒸煮器前混和纤维素材料和蒸煮溶液，还可包括加入蒸汽。
本发明优选的实施方式包括实施本文描述的方法的装置。
本发明的其他目的、特点和优点将在如下参照附图详细描述优选的实施方式时明了，这些附图将直观解释而不限制本发明
图2是表示本发明优选的去除木质素方法的方块图。
图3是表示在三种不同总碱量水平下，用改变相对量的绿液和白液蒸煮的纸浆的木质素水平的图表。
图4是表示在不同总碱量水平下，用改变相对量的绿液和白液蒸煮的纸浆的粘度和木质素水平的图表。
图5是表示用改变相对量的绿液和白液蒸煮的木质素去除速度的图表。
含有大量从纸浆中除去的木质素的黑液在洗涤机16中从纤维上回收。将黑液送入蒸发器24中以除去部分水分，将黑液浓缩到较高的固体含量，然后送入回收炉26中燃烧，从溶解于其中的木质素和碳水化合物产生热能。部分能量可用于蒸煮处理。燃烧过程包括氧化和还原反应。在回收炉的氧化区中，Na2S和NaOH被氧化形成Na2CO3和Na2SO4。然后在位于炉底的还原区中通过碳将Na2SO4还原成Na2S。然后将熔融的Na2S和Na2CO3溶解在水中，形成绿液(主要是Na2S和Na2CO3与一些Na2SO4和硫代硫酸钠的混合物)。将该绿液送入保存罐28中，然后通过与石灰Ca(OH)2反应形成NaOH和CaCO3进行苛性化30，并送入石灰浆洗涤机32中，将NaOH与石灰浆(CaC3)分开。石灰与绿液间的反应将Na2CO3转化成NaOH，形成能加入蒸煮器10中以蒸煮另一批纸浆的白液。本发明的优选实施方式本发明处理废纤维素材料的优选实施方式可与现有技术中应用的方法非常相似，不同的是已吃惊地发现绿液能改善去除木质素处理，从而优选地与纤维素材料一起加入到蒸煮器中。
通常认为白液比绿液对除去木质素的有效得多。但当将绿液加入到蒸煮器中时，所得纸浆的木质素含量比一般仅用白液或用白液与黑液的混合物得到的纸浆明显降低(更低的卡伯值)。而且，所得纸浆比公知的蒸煮方法得到的纸浆具有明显更高的粘度。纸浆粘度在造纸工业中常用于衡量纤维中的纤维素或半纤维素的聚合度。纸浆的粘度是纤维强度的可靠指示，即粘度越高表示纤维强度越高。具有较低木质素水平和较高纸浆粘度的回收纸浆在漂白后可用于制造高质量的白纸产品而不需添加原浆。
获得较低木质素水平的改善结果的确切原因不知道，但据信当用绿液蒸煮，与仅用白液蒸煮比较得到的粘度更高，因为纯白液因其pH值较高而破坏了纤维素纤维，即高碱性蒸煮液的高浓度容易除去木质素，但也破坏纤维。就象绿液一样，黑液具有比白液更低的pH值，但黑液含有大量由蒸煮处理带来的杂质和木质素，因此木质素水平没有像用绿液那样有效地被降低。加入特定量的绿液还使得木质素水平与仅用白液比较降低得更快，使得蒸煮时间更短，因而减少了能耗。
图2是表示优选的去木质素处理的图示说明。在该实施方式中，制浆方法与现有技术中采用的方法相似(

图1)。然而，改进的方法可将绿液通过管线34从容器28直接加入蒸煮器10中，而非必需地，部分绿液如上所述被苛性化而变成白液。此外，管线36可将白液加入到绿液管线34中，使得两种蒸煮液被同时加入蒸煮器中。而且，来自洗涤机16的黑液可直接沿管线38转移到蒸煮器10中，或白液和/或绿液可在达到蒸煮器10前与黑液混和(未示出)。可使用包括蒽醌或其衍生物、与胺相关的液体、醇如甲醇或乙醇，以及亚硫酸盐蒸煮液的其他化学品。以任何方式组合的白液、绿液、黑液或其他化学品可加入蒸煮器中，它们在蒸煮器中与纤维素材料如回收的瓦楞纸盒和/或新闻纸混和，或这些蒸煮液可在加入蒸煮器前与纤维素材料混和(未示出)。
可用这些蒸煮液的各种组合。通常可将40-99％的白液与1-60％的绿液以及非必需的其他化学品混和。优选的是将45-95％的白液与5-55％的绿液以及非必需的其他化学品混和。更优选的是将60-80％的白液与20-40％的绿液以及非必需的其他化学品混和。最优选的实施方式是将约70％的白液与约30％的绿液混和。此外，纤维素材料可在加入蒸煮器10前或后用蒸汽处理。在蒸煮器10中的蒸煮过程中，优选的总碱量范围是9-13.5％，以制备高质量纸浆。总碱量是Na2S、Na2CO3和NaOH的组合。将Na2S、Na2CO3和NaOH的重量转化为Na2O的重量是制浆工业中的通常做法，该数值是总碱量。
将各种蒸煮液尤其是绿液与其他蒸煮液混和产生了令人吃惊的结果，即比以前的方法降低了纸浆中的木质素水平，而所得纸浆保持了比许多现有技术的方法得到的纸浆更高的粘度，即更高的纤维强度。通常用相同的蒸煮时间，现有技术的方法将纤维素纸浆的木质素水平从约90-130的卡伯值降低到40-55的卡伯值，而本发明的方法将木质素水平从约90-130降低到约20-40。现有技术的方法所得纸浆的粘度通常不超过12cP(厘泊)，而本发明的方法所得纸浆的粘度可达到至少约17cP。木质素水平较低的纸浆，尤其是高粘度的纸浆可用于更广范围的产品，尤其是高质量的白纸产品，这种白纸以前常用至少部分原浆制造。这样，优选的方法保持了纤维强度，因此延长了纸浆的使用寿命，因为该纸浆比以前的纸浆可更多次地回收和再利用。直接的结果是减少了对原浆的需要，和可从纤维素材料制造更广泛的产品。
不改变本发明的一般特征的优选的方法与现有技术之间的各种可能的变化可包括(如图1和图2所示)优选的方法可利用与螺旋挤压机8相对的螺旋挤压机或浓缩机8’。同样，可将处理后的纸浆送入漂白车间(bleach mill)和造纸机或制浆机(pulp machine)22’中，正好与漂白车间和造纸机22相对应。任何数量其他微小的变化都是可能的。例如，图2显示将石灰浆(CaCO3)反应形成石灰(CaO)的石灰窑40，所述石灰可在苛性化步骤30期间与绿液反应。而且，在碎浆机2与清洁器4之间可使用筛网42；在筛网18与储存器20之间可使用清洁器44。实施例1从邻近的盒纸板磨得到瓦楞纸板碎片形式的回收纤维材料。将碎片与水混和，并分散在中等规模水力碎浆机中以分离纤维。然后将已分散的纤维(纸浆)离心甩干除去任何多余水分。然后挤压纸浆，使其纸浆稠度测量为32％。这种纸浆的卡伯值为110，纸浆粘度为43.5cP。纸浆粘度通过用亚氯酸钠溶液处理纸浆，以部分除去木质素来确定。亚氯酸钠溶液通过将约7.5g亚氯酸钠、2.5g乙酸钠和5ml冰醋酸与120ml蒸馏水混和制备。将1g纸浆在室温下加入到10ml上述溶液中，并在黑暗中放一夜。
蒸煮化学品，包括白液、黑液和绿液从研磨过程和实验室中获得。回收纤维上的化学荷载量用纤维料上的总碱荷载量(total alkali charge)表达。在该研究中，采用9％、11.25％和13.5％三种水平的总碱量(TA)。
蒸煮时间、蒸煮温度和纸浆稠度在每次测试中保持相同的水平。在所有测试中，蒸煮温度从约100℃的起始温度在57分钟内升到约170℃的高温。然后保持约170℃温度60分钟。在所有试样中，纸浆稠度约为10％。对于每个总碱量水平都有5种白液与绿液的混合物100％白液/0％绿液；70％白液/30％绿液；50％白液/50％绿液；30％白液/70％绿液；0％白液/100％绿液。总碱量百分比(TA)由白液和/或绿液中的总碱量确定，如13.5％总碱量的70％白液/30％绿液的混合物表示9.45％的总碱量来自白液和4.05％的总碱量来自绿液。
制浆试验在管状反应器中进行。将约15g绝干的纸浆放入管中，然后用移液管吸取要求数量的白液和绿液移入管中。向管中加入去离子水，将每个试验的纸浆稠度调节到约10％。然后用盖子盖紧管状反应器，并转移到100℃的油浴中。然后将油浴温度在约57分钟内升到170℃的目标蒸煮温度。管状反应器在余下的蒸煮处理中保持在油浴中，变化这段时间。在蒸煮处理结束后，将管状反应器从油浴转移到冰水浴中。当在管冷却后，打开盖子，倒出纸浆并用去离子水清洗纸浆。
这些测试的结果示于表1中。在所有碱水平下，纤维素材料的木质素水平(卡伯值)在约70％白液和约30％绿液的混合物中降低最多。当在13.5的总碱量水平下进行蒸煮得到最低的木质素水平。图3是表1数据的图示。图3清楚地表明在蒸煮处理中利用绿液得到的纸浆比仅用白液蒸煮得到的纸浆的卡伯值低。
通常用比值为约70％白液/30％绿液蒸煮使得木质素水平比仅用绿液时降低40-70％以上，比仅用白液时的木质素水平降低20-30％以上。实施例2用与实施例1中描述的相似的方法测试用纸浆磨得到的旧瓦楞纸盒的回收纤维。测试前用水力碎浆机处理该材料，以分散纤维并清洗。该纤维的初始卡伯值为92.1，粘度为32.2cP，纸浆稠度为28.7％。粘度如实施例1描述的在亚氯酸盐处理的纸浆上测量。
为评价纤维强度在该处理中保持的程度，在各种绿液/白液比值下处理试样。通过改变不同温度下的绿液与白液的相对用量、总碱荷载量和蒸煮时间得到各种去木质素程度。每种试样的详细制备条件示于表2中。图4是表2数据的图示，并表明在较低卡伯值下，用至少部分绿液蒸煮的纸浆比仅用白液处理的纸浆的粘度高。图5是表2数据的图示，并表示不同相对用量的绿液和白液下制浆速度的不同。木质素水平降低最快发生在约70％白液和30％绿液的混合物的情形下。
当本发明参照优选实施方式描述时，本领域普通技术人员可以理解的是，可进行各种变化和要素的等同替代而不脱离本发明的范围。例如，优选的方法和装置的步骤或设备的准确布置可以不同，只要能达到基本相同的结果就行。例如，尽管优选实施方式描述了从制浆过程中获得白液、绿液和黑液，并将它们返回到蒸煮器中的方法和装置，但通常将绿液与其他化学品混和以改进制浆过程的方法也在本发明范围内，而不管这些化学品的来源如何。而且，本发明可用于处理不同于优选实施方式中公开的那些的各种纤维素材料。
因此，并不是想要将本发明限于作为被认为是完成本发明的最佳模式而公开的具体实施方式
，但本发明将包括属于从属权利要求的范围内的所有实施方式。
表1绿液对木质素去除的影响
表2绿液对木质素去除和纸浆粘度的影响
权利要求
1.处理废纤维素材料的方法，包括以下步骤(a)将废纤维素材料和蒸煮液送入蒸煮器中，蒸煮液包含绿液；和(b)在蒸煮器中，在一定温度和化学荷载量下蒸煮纤维素材料一定时间，形成基本制成浆的纤维素材料。
2.权利要求1的方法，其中蒸煮液还含有白液。
3.权利要求2的方法，其中蒸煮液含有40-99％的白液。
4.权利要求2的方法，其中蒸煮液含有45-95％的白液。
5.权利要求2的方法，其中蒸煮液含有60-80％的白液。
6.权利要求2的方法，其中蒸煮液含有约70％的白液。
7.权利要求1的方法，其中蒸煮液含有约30％的绿液。
8.权利要求1的方法，其中废纤维素材料由瓦楞纸盒和/或新闻纸组成。
9.权利要求1的方法，其中废纤维素材料具有至少为50的初始卡伯值，制成浆的纤维素材料具有不超过40的卡伯值。
10.权利要求1的方法，其中制成浆的纤维素材料具有至少约16cPs的粘度。
11.权利要求1的方法，其中蒸煮液还含有选自黑液、蒽醌或其衍生物、与胺相关的液体、醇和亚硫酸盐蒸煮液的至少一种化学品。
12.权利要求11的方法，其中醇为甲醇或乙醇。
13.权利要求1的方法，其中蒸煮在约9-13.5％的总碱量的化学荷载量下发生。
14.权利要求1的方法，还包括以下步骤将制成浆的纤维素材料和蒸煮液从蒸煮器中放出；和从制成浆的纤维素材料中回收黑液。
15.权利要求14的方法，还包括以下步骤(a)将至少部分回收的黑液加入到蒸煮器中。
16.权利要求14的方法，还包括以下步骤(a)蒸发至少部分回收的黑液，以形成浓黑液；(b)燃烧至少部分浓黑液，以形成回收的绿液；和(c)将至少部分回收的绿液加入蒸煮器中。
17.权利要求14的方法，还包括以下步骤(a)蒸发至少部分回收的黑液，以形成浓黑液；(b)燃烧至少部分浓黑液，以形成回收的绿液；(c)将至少部分回收的绿液加入蒸煮器中；(d)将未加入蒸煮器的至少部分回收绿液苛性化，以形成回收的白液；和(e)将至少部分回收的白液加入蒸煮器中。
18.权利要求1的方法，其中纤维素材料和蒸煮液在蒸煮器中混和。
19.权利要求1的方法，其中在送入蒸煮器前，纤维素材料和蒸煮液混和以形成浆料。
20.权利要求1的方法，其中在将纤维素材料与蒸煮液的混合物送入蒸煮器前先向混合物中加入蒸汽。
21.处理废纤维素材料的方法，包括(a)将废纤维素材料和蒸煮液放入蒸煮器中，蒸煮液至少包含白液和绿液；和(b)在蒸煮液中蒸煮纤维素材料，形成基本制成浆的纤维素材料。
22.处理废纤维素材料的装置，包括(a)蒸煮器，用于在蒸煮液存在下蒸煮废纤维素材料；(b)从回收的蒸煮液中分离出制成浆的纤维素材料的装置；(c)处理回收的蒸煮液以形成绿液的装置；和(d)将绿液加入蒸煮器的装置。
23.权利要求22的装置，还包括将白液加入蒸煮器的装置。
24.权利要求22的装置，还包括(a)苛性化至少部分绿液以形成白液的装置；和(b)将至少部分白液加入蒸煮器的装置。
25.处理废纤维素材料的装置，包括(a)蒸煮器，用于在蒸煮液存在下蒸煮废纤维素材料；(b)喷放槽、筛网和清洗机，用于从回收的蒸煮液中分离出制成浆的纤维素材料；(c)蒸发器，用于浓缩回收的蒸煮液；(d)回收炉，用于燃烧回收的蒸煮液；(e)将回收蒸煮液送入蒸煮器的输送管线。
26.权利要求25的装置，还包括(a)苛性化至少部分回收的蒸煮液的罐；(b)将苛性化了的回收蒸煮液送入蒸煮器的输送管线。
27.蒸煮回收的纤维素材料的蒸煮器，包括(a)纤维素材料入口；(b)蒸煮液的入口，蒸煮液含有绿液。
全文摘要
处理废纤维素材料的方法及相关装置,包括将废纤维素材料和蒸煮液送入蒸煮器中的步骤,蒸煮液至少含有绿液,以及在蒸煮器中蒸煮纤维素材料的步骤,蒸煮在一定温度、压力、化学荷载量下进行一段时间,形成基本制成浆的纤维素材料。
文档编号D21C3/02GK1423012SQ0216061
公开日2003年6月11日 申请日期2002年9月19日 优先权日2001年9月19日
发明者T·泰, J·F·德格劳 申请人:国际纸业公司