Содержание к диссертации
Введение
Глава I Литературный обзор 6
1.1, Анализ современного состояния проблемы производства ХТММ из березовой древесины 6
1.1.1. Краткая информация о запасах березовой древесины и ее использовании вЦБП 6
1.1.2. Краткая информация о запасах березовой древесины и ее использовании в ЦБП .. 7
1.1.2. Краткая характеристика свойств березовой древесины 9
1.1.4. Способы переработки березовой древесины в волокнистые полуфабрикаты высокого выхода и особенности технологии производства древесной массы из лиственной древесины 13
1.1.5. Применение полуфабрикатов высокого выхода из лиственных пород древесины при производстве газетной бумаги 22
Глава 2. Методическая часть 32
2.1. Стандартные методы испытаний химикатов, древесного сырья небеленой и беленой ХТММ 32
2.2. Характеристика березовой древесины, используемой в процессе исследований 33
2.3. Методика проведения экспериментов по получению ХТММ 34
2.4. Методика проведения экспериментов по исследованию влияния ,. предварительного уплотнения щепы на (сжатия) свойства ХТММ 36
2.5. Методика приготовления микроскопических препаратов из древесины 39
2.6. Метод определения выхода ТММ/ХТММ (при термохимической обработке щепы и массы) 39
2.7. Метод определения потерь древесного вещества ХТММ (при перекисной отбелке) 42
2.8. Метод определения мелких несвязанных частиц волокон на поверхности газетной бумаги 43
2.9. Методика пероксндной отбелки ХТММ в лабораторных условиях 45
2.10. Выбор экспериментального плана 45
2.11. Постановка задачи исследований 51
Глава 3. Результаты эксперимента и их обсуждение 52
3.1. Планирование эксперимента по получению щелочно-перекисной ХТММ из березы 52
3.2. Исследование влияния предварительного уплотнения щепы на свойства ХТММ из березы 76
3.3. Исследование влияния параметров пероксндной отбелки ХТММ из березы на изменение ее белизны 88
3.3.1- Исследование влияний пероксндной отбелки на изменение прочностных свойств ХТММ из березы 93
3.4. Исследование влияния различных комплексообразователей на процесс пероксндной отбелки березовой ХТММ 102
3.5. Исследование печатно-технических свойств бумаги с ХТММ из древесины березы в композиции, полученной
модифицированным щелочно-перекисным способом 110
3.6. Экономическая эффективность разработанных технологических решений 118
Общие выводы и рекомендации 122
Список литературы 125
- Краткая информация о запасах березовой древесины и ее использовании в ЦБП
- Характеристика березовой древесины, используемой в процессе исследований
- Метод определения выхода ТММ/ХТММ (при термохимической обработке щепы и массы)
- Исследование влияния предварительного уплотнения щепы на свойства ХТММ из березы
Введение к работе
В связи с уменьшением запасов хвойной древесины и все большей
труднодоступностью и удаленностью мест промышленных рубок леса от
перерабатывающих его предприятий ЦБП, у бумажников возрастает интерес к более доступной и дешевой лиственной древесине. Причем акцент этого интереса смешается, главным образом, в сторону использования лиственных пород древесины в производстве полуфабрикатов высокого выхода (ПВВ), таких как термомеханическая (ТММ) и химико-термомеханическая (ХТММ) массы, где возможен наибольший выход готового продукта из кубометра исходного сырья.
В настоящее время в России для получения ХТММ для печатных видов бумаги из лиственных пород древесины применяют только осину, производство же беленой ХТММ из березы для печатных видов бумаги отсутствует.
Вместе с тем, для российских предприятий, таких как Сыктывкарский ЛПК, Камский ЦБК, Пермский ЦБК, Майкопский ЦЗ и др. вопрос переработки березы в ХТММ весьма актуален и экономически целесообразен, если учесть, что стоимость воспроизводства кубометра лиственной древесины в 1,5 раза ниже, чем хвойной.
Традиционной технологией производства ХТММ из лиственной древесины в мире считается переработка щепы лиственной древесины щелочным, щел очно-сульфитным, а в последнее время щелочи о-перекисным способом на рафинерах, работающих под давлением.
Однако, производство беленой ХТММ, производимой по традиционной технологии с использованием пероксида водорода, имеет существенный недостаток: потребление большого количества силиката натрия, вызывающего массу проблем при производстве бумаги. Силикат натрия способствует появлению осадков на поверхности оборудования буммашин, сетках, сукнах и т.п., что приводит к повышенному их износу, повышается склонность бумаги к пылению, пожелтению, снижается ее долговечность.
Для борьбы с силикатно-смоляными отложениями приходится применять весьма дорогостоящие и не всегда эффективные и экологически-безопасные химические средства.
В связи с тем, что в ближайшее десятилетие для производства ХТММ в
России для массовых видов бумаги и картона будет все больше вовлекаться в переработку древесина березы, разработка экологически безопасного способа получения ХТММ щелочно-пероксидным способом, лишенного недостатка, связанного с применением силиката натрия, является своевременной и актуальной.
Целью работы являлось — разработка технологии получения химико-термомеханической массы из ранее не используемой при производстве ХТММ в России, древесины березы; изучение бумагообразующих свойств массы; и определение условий применения нового полуфабриката в композиции газетной бумаги.
Научными направлениями диссертации явились:
Анализ технологии получения ХТММ их лиственных пород древесины и изучение их свойств.
Исследование одноступенчатого и двухступенчатого щелочно-пероксидного способа получения ХТММ из березы.
Исследование отбелки ХТММ из лиственной древесины и разработка безеиликатного способа ее отбелки.
Технико-экономическое обоснование способа получения беленой ХТММ из лиственных пород древесины высокой плотности.
Результаты лабораторных исследований прошли проверку в производственных условиях ОАО «ЦБК «Кама» и подтвердили их эффективность.
Краткая информация о запасах березовой древесины и ее использовании в ЦБП
Древесина лиственных пород имеет более сложное строение, чем хвойных, отличаясь большим разнообразием анатомических элементов. Если хвойные породы содержат 91-96% продольных трахеид, являющихся основными бумагообразующими волокнами, то лиственные породы содержат по объему 35-75% волокна либриформа (основные бумагообразующие волокна), 8-40% клеток водопроводящих сосудов, 10-30% паренхимных клеток. Широкие клетки сосудов лиственных пород древесины отличаются большим разнообразием, и их длина и форма в зависимости от породы меняются в широких пределах. Количество и форма сосудов оказывают существенное влияние на бумагообразующие свойства волокнистой массы из лиственных пород древесины [7, 8]. Основные бумагообразующие волокна либриформа в разных породах имеют большое внешнее сходство и под микроскопом их трудно отличить. Вместе с тем, в зависимости от породы длина волокон либриформа колеблется от 0,3 до 2 мм, ширина - от 0,014 до 0,024 мм, толщина стенок — от 0,0025 до 0,005 мм. Сосуды в различных породах различаются по диаметру от 0,05 до 0,15 мм, а по длине - от 0,01 до 0,5 мм.
Клетки сердцевинных лучей мелкие и увеличивают промой бумажной продукции при отливе. В общем виде можно принять, что волокна из лиственных пород древесины в 2-3 раза короче и в 1,5 раза уже волокон хвойной древесины, а содержание мелких и коротких клеток в несколько раз больше. В таблице 1.1 и 1.2 [1, 9, 10, 11, 12, 13] представлена характеристика основных анатомических элементов различных пород лиственной древесины. Из данных, приведенных в таблицах 1.1 и 1.2, видно, что наиболее близко к хвойной древесине по размерам волокон приближается береза.
Существенно различаются лиственные породы древесины и по плотности. В целом, за исключением осины и тополя, лиственные породы имеют более высокую плотность, что накладывает соответствующие ограничения на технологию ее переработки. Лигнин в древесине лиственных пород отличается от лигнина хвойных пород по химическому строению и расположению в клеточной стенке [14]. В березовой древесине 60% лигнина расположены во вторичной стенке волокна. В срединной пластинке находится наиболее высокомолекулярный лигнин. Несмотря на меньшее содержание лигнина в древесине лиственных пород для разделения ее на волокна требуется более глубокая степень провара, а после варки и отбелки волокна лиственных пород древесины имеют более плотную структуру поверхности. Высокая плотность, расположение лигнина преимущественно в срединной пластинке и небольшая длина волокон ограничивают применение лиственных пород древесины в производстве древесной массы. Ранее только осина, имеюшая низкую плотность, рассматривалась как сырье для производства древесной массы. В таблице 1.3 представлены физико-химические характеристики древесины лиственных пород [10, 11,15, 16, 17, 18, 19].
Из лиственных пород древесины наибольшее промышленное значение для ЦБП России имеет березовая древесина по следующим причинам: береза имеет высокую плотность (выше 0,5 г/см3) и поэтому расход древесины на тонну волокнистого полуфабриката будет на 20-25% ниже по сравнению с осиновой древесиной (отсюда также и снижение транспортных расходов); березовые древостой меньше поражены дереворазрушающими грибами, чем древостой осины; это также отражается на более высоком выходе волокнистой массы; березовая древесина состоит из более длинных волокон, чем другие лиственные породы, содержит небольшое количество клеток сердцевинных лучей, волокна березы имеют относительно тонкие стенки, что обеспечивает легкую ее химическую модификацию и получаемая масса обладает достаточно высокими показателями механической прочности; из березовой нейтрально-сульфитной полуцеллюлозы вырабатывают наиболее качественную бумагу для гофрирования.
Отличия березовой древесины от хвойной и даже от осиновой древесины по физическим свойствам, химическому составу и морфологическому строению обусловливают: некоторые особенности технологических процессов производства волокнистой массы из этой древесины; специфические свойства лиственной массы; особенности ее переработки в бумагу и картон.
Одним из основных затруднений при использовании лиственных пород (по сравнению с хвойной) считается трудность ее окорки [20].
Березовые балансы трудно поддаются окорке. При окорке березовой древесины производительность окорочных барабанов снижается на 25-50 %..
Расход энергии на окорку березовой древесины значительно выше, чем на окорку осины и ели и составляет: береза - 1,85 кВт.ч/м3, осина — 0,83 кВт.ч/м3, ель - 1,15 кВт.ч/м3 [21]. При переработке березы увеличивается расход электроэнергии на рубку щепы на 15-30% вследствие большей твердости и повышенной плотности. Вместе с тем, благодаря высокой плотности древесины лиственных пород при ее использовании можно получить больший выход волокнистого полуфабриката сім щепы и повысить производительность оборудования.
В большей мере лиственные породы поражаются грибами и в процессе хранения в штабеле и в виде щепы, В связи с этим на транспортирование, хранение и переработку щепы в ХММ и целлюлозу из лиственных пород древесины необходимо устанавливать более короткие сроки, чем для хвойной древесины.
Характеристика березовой древесины, используемой в процессе исследований
Основными физико-механическими свойствами древесины, показатели которой необходимы при ее обработке и применении, являются плотность, усушка, коэффициенты пределов прочности при сжатии, статическом изгибе и ударной вязкости, твердость, а также оптические показатели: цвет, белизна, яркость и т.п.
Все эти свойства в значительной степени зависят от строения древесины и подвергаются большим колебаниям для древесины не только различных пород, но и для одной и той же породы. Условия произрастания (тип леса, положение дерева в насаждении), возраст дерева, а также расположение образца в стволе дерева оказывают влияние на величину показателей физико-механических свойств. При промышленном производстве механических видов массы необходимо знание биологического вида древесины, плотности, влажности и степени повреждения различными гнилями и грибами.
Химический состав древесины, знание которого необходимо при разработке технологии механических видов массы, определяется такими показателями как: содержание целлюлозы, лигнина, пентозанов, смолы, водно-экстрактивных веществ и золы.
Физико-химические свойства образца березовой древесины Московской области (Софринское лесничество), приведены в таблице 2.1.
Возраст древесины используемой породы составлял от 35 до 50 лет с диаметром от 14 до 22 см. Бревна (баланс) длиной 1,3 м окоряли вручную и приготавливали щепу размером 20-25x18-20x3-4 мм. Щепу затем высушивали на воздухе до влажности 10-12%, складывали и хранили до использования в пластиковых метках.
Навеску щепы (300 г а.с. древесины) замачивали в 1,2 л дистиллированной воды в течение 16 часов. Влажность древесины после обработки составляла около 45%. Термохимическую обработку щепы осуществляли на лабораторной установке (рис. 2.1).
Влажную щепу помещали в перфорированный стакан, изготовленный из нержавеющей стали, помещали в автоклав емкостью 4,5 л и пропаривали в течение 20 минут при температуре 100 С. После пропарки сбрасывали из автоклава, образовавшийся конденсат. Затем в автоклав заливали пропиточный раствор, содержащий гидроксид натрия (расход 3,5%), и проводили стадию пропитки щепы при температуре 80 - 85 С в течение 30 минут. После этого раствор сливали, а пропитанную щепу пропаривали при 115 С в течение 5 минут и немедленно размалывали на рафинере. При размоле щепы использовали горячую водопроводную воду с температурой 50-60 С. Концентрация массы при размоле составляла около 15 %.
Размол пропаренной и пропитанной щепы осуществляли в лабораторном рафинере « Sprout Waldron » с диаметром размалывающих дисков 300 мм. Мощность электродвигателя составляла 40 кВт. Скорость вращения ротора — 2900 об/мин.
При размоле использовали гарнитуру со следующими характеристиками: рисунок 18034; поверхность размалывающих ножей - 525 см2.
Размол щепы до грубой массы проводили при атмосферном давлении последовательно в три прохода с зазором между дисками 70, 50 и 30 (делений) соответственно, что соответствовало получению массы со степенью помола 17-21ШР.
Количество ступеней размола и зазор между размалывающими дисками на второй ступени задавали в соответствии с условиями эксперимента.
Для интенсификации процесса пропарки и пропитки щепы химикатами при производстве ХТММ важным является применение такого технологического приема, как сжатие щепы перед пропиткой ее химикатами.
Исследование выполнялось на специальной установке для сжатия щепы, созданной в лаборатории древесной массы ЦНИИБа [100, J 01]. Установка состоит из специального автоклава (рис. 2.2), внутри которого размещено устройство для сжатия щепы.
Для проведения экспериментов бралась" березовая щепа, приготовления ручным способом. Щепу засыпали в стакан 3 между нижним запорным конусом и поршнем на определенную высоту, которую измеряли линейкой с точностью до 1 мм. Пропарка щепы осуществлялась острым насыщенным паром при температуре 100 С в течение 1 часа. Пар свободно проходил через столб щепы благодаря специальным отверстиями в стакане 3. После пропарки сжатие щепы производили путем завинчивания винтового штока 10 на крышке автоклава с помощью динамометрического ключа или обычного гаечного ключа, при этом винт перемещал поршень 9 вниз на заданную величину сжимая щепу до заданной степени сжатия. После осуществления сжатия материала до заданных параметров из автоклава удаляли отжатую из щепы жидкость и запивали в автоклав пропиточный раствор. После этого отвинчивали нижний конус запорного устройства и с помощью винтового штока с поршнем 9 (продолжая вращать в сторону сжатия материала) выталкивали сжатый материал в автоклавное пространство с рабочей жидкостью, где продолжали его термомеханическую обработку (пропитку) в режиме распрессовки при заданной температуре и давлении.
Для пропитки щепы использовали щелочной раствор концентрацией 23,2 г/л по NaOH и с температурой 22-25 С. Продолжительность пропитки щепы после сжатия составляла 5 мин при ее полном погружении в пропитывающий раствор.
После термо-механо-химической обработки щепы в автоклаве, пропиточный раствор сливали, а пропитанную щепу выдерживали в течение 30 мин при температуре 95 С и 5 мин пропаривали дополнительно при температуре 115 С. Такой режим пропитки и пропарки щепы был выбран на основании анализа работы установки ХТММ Сыктывкарского ЛПК, которая оснащена узлом пропитки состоящим из шнекового питателя, импрегнирующей камеры и вертикального шнека, в котором завершается процесс пропитки щепы.
Метод определения выхода ТММ/ХТММ (при термохимической обработке щепы и массы)
При проведении всех этапов исследований по разработке технологии получения беленой ХТММ из березовой древесины было принято решение использовать математические методы оптимального планирования эксперимента.
Решение технологических задач целесообразно проводить с помощью метода факторного планирования, который позволяет изучить технологический процесс при минимальном числе опытов и математически его описать (получить модель).
Математической моделью процесса называется функция, связывающая параметр, характеризующий результат экспериментов с переменными факторами, которые варьируют (изменяют) при проведении опытов.
Математическая модель позволяет выявить такие детали, которые невозможно обнаружить другим способом, например, определить эффекты взаимодействия (т.е. связь между переменными и их влияние друг на друга) или определить количественно вклад каждой переменной в общий процесс.
Приближенная математическая модель процесса, представляющая собой конечный степенной ряд, называется уравнением регрессии. Для получения такой модели проводят факторный эксперимент.
Факторный эксперимент характеризуется тем, что при его проведении одновременно варьируют все независимые переменные, а достоверность результатов оценивают с помощью математико-статистических методов.
Факторное планирование экспериментов в данной работе использовали при исследовании процесса получения ХТММ из березы (пропитка, размол) и процесса пероксидной отбелки.
При исследовании процесса пропитки щепы и ее размола применяли первоначально полный факторный эксперимент типа 2 , который в последствии дополнили до плана второго порядка, для более точного описания процесса. При исследовании процесса пероксидной отбелки применяли униформ ротатабельное планирование с двумя факторами. В обоих случаях процесс описывается в виде полинома второго порядка.
В общем случае, когда число варьируемых факторов равно К, регрессионная модель 2-го порядка имеет вид [104]: где: Y - выходная величина (параметр оптимизации) или отклик; x„Xj- варьируемые факторы; Ьй Ц ЦмЦі коэффициенты регрессии, которые определяются из эксперимента.
Из множества экспериментальных планов 2-го порядка, позволяющих получить квадратичную модель процесса наибольший интерес для описания процессов получения древесной массы представляют униформ-ротатабельные планы, нашедшие широкое распространение из-за простоты применения и обработки получаемых результатов.
Свойство ротатабельности плана означает, что точность уравнения регрессии, полученного по результатам его реализации, одинакова во всех точках факторного пространства, находяшихся на одинаковом расстоянии от центра плана. Свойство униформности в сочетании с ротатабельностью означает постоянство дисперсии т Y) в некоторой окрестности центра плана. Таким образом, униформ-ротатабельные планы с хорошей точностью описывают объект.
Униформ-ротатабельные планы (УРП) являются композиционными, т.к. в их состав входят опыты полного факторного эксперимента, к которым добавляются опыты в так называемых звездных точках и опыты в центре плана (центральные точки).
Каждый фактор УРП 2-го порядка варьируется на 5-ти уровнях, нормализованные обозначения которых: -а; -1; 0; +1; +а, где а — некоторое число больше единицы. Оно называется звездным плечом. Звездное плечо.ротатабельных планов определяется из формулы a = 21 4% еслиё" в ортогональной части плана содержится полный факторный эксперимент.
Исследование влияния предварительного уплотнения щепы на свойства ХТММ из березы
Введение полуфабриката из лиственных пород древесины в композицию бумаги имеет положительные тенденции: улучшаются печатные свойства бумаги; бумага приобретает более однородный характер, более равномерный просвет, увеличивается гладкость ее поверхности, снижается прозрачность бумаги.
Применение ХТММ представляет большой интерес в производстве газетной и книжно-журнальной бумаги без покрытия. Однако при использовании в композиции печатных видов бумаги полуфабрикатов из лиственных пород древесины необходимо сохранять механическую прочность бумаги и особенно прочность ее поверхности на достаточно высоком уровне.
Полиграфическая промышленность предъявляет все возрастающие требования к качеству печатных видов бумаги, в том числе газетной. Бумага должна иметь определенную однородность — она должна иметь минимальные колебания по массе 1 м2, толщине, гладкости, как по ширине бумажного полотна, так и от партии к партии; иметь улучшенные оптические характеристики (повышенная белизна и низкая желтизна), бумага должна иметь высокую прочность поверхности, не должна пылить.
Кроме того, в настоящее время скорости печатных машин возросли до 25 тыс. оттисков в час, поэтому полиграфическая промышленность ставит закономерные вопросы сохранения механической прочности бумаги с целью снижения обрывности бумажного полотна и снижения пылимости бумаги.
Недостаточная прочность поверхности, выражающаяся в пылении и выщипывании волокон в процессе печати является основным недостатком бумаги российского и иранского производства в сравнении с бумагой лучших мировых аналогов.
Таким образом, основным требованием к древесной массе при производстве бумаги для печати, в том числе газетной является сочетание высоких показателей механической прочности, высокой прочности ее поверхности и хороших оптических свойств (белизны и непрозрачности).
Из выработанной ХТММ из березы в условиях ОАО «ЦНИИБ» изготавливались образцы газетной бумаги массой 45 г/м2. Композиционный состав бумаги: целлюлоза бисульфитная небеленая для всех вариантов — 30%. Степень помола целлюлозы 22-24ШР. Содержание древесной массы (ХТММ из березы) варьировалось в пределах см. таблица 3.16.
Полученные образцы бумаги газетной испытывались по стандартным методикам в кондиционных условиях (относительная влажность воздуха 50%, температура 22С) на печатио-технические свойства.
Определялись следующие показатели:
Красковосприятие - свойство бумаги воспринимать определенное количество краски во время печати при заданных условиях. Количественной характеристикой служит величина оптической плотности оттиска, достигаемая при толщине красочного слоя на форме 3 мкм.
Просвечивание-пробивание изображения - уменьшение коэффициента отражения оборотной стороны оттиска после запечатывания образца бумаги. Количественной характеристикой служит значение оптической плотности оборотной стороны оттиска при оптимальном значении величины оптической плотности лицевой стороны оттиска.
Закрепление краски - процесс образования на оттиске стабильной структуры с необходимой прочностью, исключающей возможность отмарывания краски. Количественной характеристикой служит значение величины оптической плотности следа отмарывания.
Стойкость поверхности к выщипыванию - свойство характеризующее сопротивление бумаги выщипыванию, возникающему в процессе печати, когда усилие разрыва превышает прочность самой бумаги. Количественной характеристикой служит величина скорости печати, при которой начинается повреждение бумаги.
По результатам проведенных испытаний полученных образцов газетной бумаги выявлено следующее: - увеличение содержания ХТММ из березы в композиции газетной бумаги снижает уровень оптической плотности оттиска (красковосприятие), при этом критические значения показателя оптической плотности для данного класса бумаг имеют место при содержании ХТММ из березы в композиции до 50% (рис. 3.31); - показатель просвечивания оттиска на оборотную сторону снижается с 0,362 до 0,338 ед. оптической плотности, при увеличении содержания ХТММ из березы в композиции газетной бумаги до 70%, что является положительным фактором печатного процесса (рис. 3.32); - показатель отмарывания краски также имеет тенденцию к снижению при увеличении содержания ХТММ в композиции газетной бумаги до 70%, и чем меньше этот показатель, тем лучше произошло закрепление краски на оттиске (рис. 3.33);
Одним из наиболее значимых показателей печатного процесса является стойкость поверхности бумаги к выщипыванию; чем выше этот показатель, тем в большей мере гарантировано, что бумага не будет пылить и будет проходить через секции печатной машины без обрывов [131].
