淀粉在造纸工业中的应用及淀粉蒸汽喷射蒸煮工艺与设备的进展

黄鸿 湖南省造纸研究所 湖南 湘潭(411104）

戴拓 长沙水泽加热设备制造有限公司 湖南 长沙(410100）

淀粉在造纸工业中的应用及淀粉蒸汽喷射蒸煮工艺与设备的进展

黄鸿 湖南省造纸研究所 湖南 湘潭(411104）

戴拓 长沙水泽加热设备制造有限公司 湖南 长沙(410100）

介绍了淀粉在造纸工业中的应用及淀粉蒸汽喷射蒸煮工艺及设备；介绍了水热器的结构、原理、节能效果及水热器在淀粉蒸煮工艺中的应用与进展。

造纸淀粉；淀粉蒸煮工艺；喷射加热设备；水热器；节能降耗

1 淀粉在造纸工业中的应用

目前，世界淀粉总产量已达2000多万吨，广泛应用于造纸、食品、纺织、医药、化工等方面，其中造纸工业用量最大。造纸用淀粉在美国占总产量的63%，在欧盟占58.5%，食品占28%。

淀粉最主要的来源是马铃薯、玉米、小麦和木薯等农作物。在淀粉原料的选择上，一般根据各国的国情和应用的需要来决定，如美国主要选用玉米淀粉、荷兰主要选用马铃薯淀粉、泰国以木薯淀粉为主、我国以玉米淀粉为主（占80%），其次是木薯淀粉。天然的淀粉因为粘度较高而且流动性较差，所以呈凝胶状，一旦用水稀释之后，便会发生沉淀反应，容易老化，不能直接满足造纸工业需要。为解决上述问题，需要将淀粉进行改性处理。

变性淀粉是造纸工业的重要化学品，在造纸精细化学品中以重量计占80%-90%。以造纸原料消耗计，淀粉居纤维、填料之后占第三位。美国造纸工业年用变性淀粉130多万吨，日本达25万吨，而中国目前仅5万吨左右，按发达国家的应用水平，估计变性淀粉年需求量应在50万吨以上，市场潜力很大。

1.1 变性淀粉对造纸工业具有明显的经济效益、社会效益以及实用性，体现在以下几方面：

1）能明显提高纸张的各种物理强度，提高质量和档次，降低木浆配比。

2）能提高细小纤维、填料的留着。

3）能改善施胶效果，节约施胶剂用量。

4）能明显改善印刷适性，不掉毛、掉粉、糊版。

5）可代替干酪素、丁苯胶乳、丙苯胶乳作涂布粘合剂，降低涂布加工纸涂料成本。

6）使用安全、方便，制作简单，适应范围广。

1.2 造纸用变性淀粉及性能特征

造纸上常用的变性淀粉按离子特性可分为五类：非离子淀粉、阴离子淀粉、两性及多元的变性淀粉、阳离子淀粉以及其它变性淀粉。按照淀粉的制备方法可分为氧化淀粉、酸变性淀粉、酯化淀粉、交联淀粉、醚化淀粉。造纸淀粉按使用方法可分为四大类：1）、浆内添加淀粉。2）、层间喷雾淀粉。3）、表面施胶淀粉。4）、纸张涂布淀粉。下面是几种常用变性淀粉的介绍。

1.2.1 阴离子淀粉

1.2.1.1 磷酸酯淀粉

磷酸酯淀粉是阴离子衍生物，与原淀粉比较，糊液的粘度、透明度及稳定性均有明显的提高，即使很低的酯化程度，糊液的性质也改变很大。当取代度在0.07时，产品遇冷水膨胀，膨胀的程度与水的硬度有关。盐的加入会引起粘滞状糊液变稀。磷酸酯淀粉在造纸上主要用作助留、助滤剂和增强剂。经特殊工艺加工处理的还可用做涂布粘合剂和层间增强剂。

1.2.1.2 羧甲基淀粉

羧甲基淀粉（CMS）属醚类淀粉，是一种水溶性阴离子高分子化合物。由于CMS胶液透明、细腻、粘度高，粘结力大，流动性、溶解性好，具有较好的乳化性、稳定性和渗透性，不易腐败霉变。在造纸上用作湿部添加为主，作为纸张增强剂。低取代度、低粘度产品可用作表面施胶剂，并能与PVC合用形成抗油性及水不溶性的薄膜。

1.2.2 阳离子淀粉

造纸上所用阳离子淀粉取代度一般为0.01～0.07。尽管取代度不高，但原淀粉的性质已大大改变，主要表现在以下：

1）、胶化温度大大下降。

2）、Zeta电位升为阳性。

3）、随着取代度的提高，糊液的粘度、透明度和稳定性明显提高。

阳离子淀粉在造纸工业中应用主要优点有：

1）、能改善纸的耐破度、抗张力、耐折度、抗掉毛性等物理性质。

2）、提高松香、矾土的施胶效果。

3）、提高纸浆滤水性能和抄造速度。

4）、能提高各种染料和填料的保留率，从而减低造纸成本。

5）、作为胶乳、合成树脂等的固定剂和乳化剂，以及中性施胶剂的分散剂，也同样显出良好的效果。

6）、减少废水污染的程度，有益于降低污染。1.2.3两性及多元变性淀粉

这一类淀粉是在同一淀粉分子中分别接上了阳离子和阴离子或其它取代基，其离子性为中性或微阳性，胶化温度比原淀粉低。由于分子中各基团的相互协调作用，使其性能更优异，应用效果更突出，专用性更强，主要用作造纸湿部添加，起增强、助留、助滤等作用。

1.2.4 非离子淀粉

非离子淀粉主要为羟烷基淀粉，是由淀粉在碱性水溶液中与环氧乙烷或环氧丙烷反应而制成。由于环氧乙烷沸点低，易挥发，与空气混合又可能引起爆炸，故目前造纸上倾向于选择用羟丙基淀粉。羟烷基淀粉是理想的表面施胶剂和涂布粘合剂，能有效地改善纸张的物理性能。

1.3 湿部添加淀粉应用机理及技术。

湿部化学是造纸工业的专用名词，用以描述纸张在抄造过程中各种不同造纸原辅材料在水介质中的相互影响。造纸湿部化学是一个极其复杂的体系。长期以来，造纸工作者一直为纸张质量不稳定、达不到设计要求而困惑。尽管严格控制了工艺参数和操作规程，但周期性运行的问题仍十分突出，不得不用定期停机清洗来解决。究其原因，是因为湿部化学体系中某些组分过量聚集，影响了湿部化学平衡所致。

经过多年的探索实践，已从复杂的湿部化学体系中找到一条规律：即纸机的抄造性能与成纸质量与湿部的电位密切相关，通过控制造纸湿部的Zeta电位，可以控制湿部化学组分的平衡，通过添加变性淀粉等化学助剂，可以优化湿部化学，有效地控制湿部Zeta电位。

纤维带负电荷，大多数填料也带负电荷，图1为纤维和填料的截面在水溶液中的电位示意图。

图1 纤维和填料在水溶液中的电位示意图

根据电位理论，在固液界面形成一双电层;一层是邻近固体表面的薄离子层，称为固定层；另一层为扩散层。当加入阳离子淀粉时，静电引力使之进入固定层，使带负电的固体粒子电位下降，甚至逆转，从而改善了纸张物理强度和细小纤维、填料的留着。加入的阳离子助剂越多，Zeta电位下降越大。Zeta电位趋向（0+/_5）mV时，纸机运转较正常。电荷理论-絮凝理论：

阳离子淀粉是最重要的湿部添加剂，分子结构与纤维素相似，由于它带有阳电荷，极易与带阴电荷的纤维填料靠静电引力相互吸附，降低纸浆的Zeta负电位，并产生絮凝作用将细小纤维、填料包裹在微絮团内，提高细小纤维与填料的留着率，见图2。

图2 阳离子淀粉作用机理

图3 阴离子淀粉作用机理

阴离子淀粉（如磷酸酯淀粉）由于本身带负电菏，无法直接与带负电荷的纤维、填料相互吸引，因此必须加入1%的明矾作为“架桥剂”，见图3

湿部用变性淀粉主要功能

1.4 层间喷雾淀粉的应用机理和技术

喷雾淀粉就是利用喷雾的方法进行添加的淀粉。将比例高达纸重5%的未蒸煮淀粉，以雾状喷淋在长网纸机的网部或圆网纸机多层纸板的层间。喷雾淀粉是上世纪70年代初才发展起来的，最初是为提高纸板层间结合力而开发的，但近年发展迅速，己不再局限于提高层间结合力，还广泛用来提高挺度、环压强度及表面强度。对杂离子含量较高的纸浆（如磨木浆、废纸浆、草浆等），其增强效果明显优于湿部添加。笔者曾研制和推广了一种瓦楞原纸环压增强剂，采用淀粉、填料、增强剂三合一配方现场配制，利用喷雾的方法添加到多层纸板的层间，使用效果能降低成本、明显提高瓦楞原纸环压强度。见图4、图5.

图4 层间喷雾淀粉

图5 层间喷雾淀粉工艺流程

1.5 表面施胶淀粉的使用.

表面施胶就是把施胶剂施加到纸的表面，并在纸面附着形成一层近乎连续的膜的方法。常用的施胶剂是淀粉及生物、羧甲基纤维素（CMC）、聚乙烯醇（PVA）等。施胶不只是增加纸张抗水性，增加纸张表面强度，还能提高耐破度、耐折度环压强度等纸张物理强度指标。(见图6、图7）

图6 斜列式表面施胶

图7 竖式表面施胶

1.6 淀粉在涂布粘合中的应用

涂布和表面施胶都是将化学品涂在纸的表面上，但两者的区别在于：

1）表面施胶只用胶粘剂，而涂布既用胶粘剂又用颜料。

2）涂布的颜料只涂在纸的表面，表面施胶的胶料渗入纸页内。

变性淀粉是涂布配方的重要组分，主要用作胶粘剂。

2 传统淀粉蒸煮工艺与设备

造纸厂使用的淀粉，75%以上使用已经将天然淀粉经过物理或化学变性的变性淀粉，在使用前均需对淀粉进行蒸煮将淀粉糊化，只有少量湿部喷淋淀粉不需蒸煮糊化就直接使用。近来一些造纸企业为降低生产成本，也自己生产变性淀粉如氧化淀粉和酶转化淀粉。

2.1 淀粉间歇式蒸煮工艺与设备

在传统造纸工业中，通常使用间歇式蒸煮工艺与设备。

在蒸煮锅中加入定量的清水，人工投入淀粉，搅拌均匀后通蒸汽加热，升温到90-98℃，保温，使淀粉完全糊化，加入冷却水稀释、冷却到60-65℃，将料放入储存罐中备用。

间歇式蒸煮设备优点在于流程简单，操作灵活，国内大部分老生产线仍在使用。缺点是蒸汽耗量高、工作强度大、工人每班要完成11-12锅的任务、产量低、不适合高速大型纸机生产线使用。

2.2 淀粉连续式蒸煮设备

现代化大型高速纸机大都采用连续蒸煮设备，特点是生产能力大、质量稳定、自动化程度高、劳动强度低。蒸煮器控制由安装在控制柜内的可视触摸屏来实现。大包淀粉用行车吊起投入料仓，料仓的容量可满足一天的淀粉用量。在料仓底部装有料斗振动器以方便下料。在料仓下方设淀粉溶解系统，由可调速的螺旋输送器将淀粉送入淀粉溶解槽中，加入清水搅拌，清水的添加由浮球阀控制，并安装电磁流量计提供检测信号给喂料螺旋。溶解后淀粉泵送到蒸煮罐，用蒸汽喷射加热器将淀粉液加热到125℃，完成淀粉的糊化。在蒸煮罐的末端安装另一个蒸汽喷射加热器以提升背压，稀释水通过流量计和控制阀在此加入。稀释后送入连续式蒸煮淀粉储备罐备用，见图8。

2.3 淀粉以生物酶转化的蒸煮系统

以生物酶转化的蒸煮系统中，直接以原淀粉为原料生产酶转化淀粉，原淀粉在生产过程中被生物酶降解到工艺所需的要求，能显著降低产品成本。生产过程由电脑控制全自动运行。溶解好并加入生物酶的淀粉浆泵送到酶转化器里，在蒸汽喷射加热器中，淀粉浆被迅速加热到65-85℃，淀粉在转化器里被糊化到所需的粘度。为达到较好的转化效果，转化器里安装有搅拌器提供稳定的紊流，利用生物酶将淀粉降解到工艺所需的粘度。保温30min后，泵入失活槽中，淀粉浆被加热到100-125℃以除去生物酶的活性，再送入储存罐，经闪蒸分离掉蒸汽，再经稀释后备用，见图9。

图8 淀粉连续式蒸煮系统

图9 淀粉酶转化蒸煮系统

山东某大型纸厂表面施胶胶料成功实现采用BVG蒸汽喷射加热器、使用表面施胶酶连续处理表面施胶原淀粉(木薯或玉米原淀粉)，实现表面施胶由原淀粉向氧化淀粉或氧化阳离子淀粉的转变，减少了原淀粉氧化和氧化阳离子化的过程。以81g/m2涂布原纸为例，在保证施胶质量的基础上，表面施胶胶料成本下降了86.4元/t纸，下降幅度达42.1%。

使用的表面施胶酶－Aquazym 240属于NovozymesRα-淀粉酶。用于处理表面施胶原淀粉比较常见的NovozymesRα-淀粉酶有Fungamyl、Aquazym、BAN、Termamyl等四种产品。其中Fungamyl适合于处理反应温度和p H值均要求较低的原淀粉；Aquazym和BAN适合于处理反应温度和p H值均要求适中的原淀粉；Termamyl适合于处理反应温度和pH值均要求稍高的原淀粉。

将表面施胶原淀粉稀释到30%,储存在储存罐中，然后连续转移到表面施胶酶反应罐中，并通过蒸汽联锁将其加热到65～75℃，对表面施胶酶进行活化，在连续转移淀粉液过程中按每吨绝干原淀粉联锁加入150～300g表面施胶酶，根据最终要求的黏度确定加入表面施胶酶的用量，再通过一台专门的淀粉连续蒸煮器加热到120～130℃，对表面施胶酶连续灭活和对淀粉液进行连续蒸煮，然后用温水稀释到需要的胶料浓度储存备用。

2.4 淀粉半自动蒸煮系统

流程前段淀粉的加入和配制系统由人工间歇操作，流程后段蒸煮糊化系统由蒸汽喷射加热器系统自动连续运行，一经调试好后，不需人工操作。淀粉糊化均匀透彻，无生淀粉小颗粒存在；质量稳定可靠；完全消除汽锤和震动；温度控制精确，可达+/-0.25度；水热器将蒸汽、淀粉液完全混合、剪切、搅拌、加热，创造完美的淀粉蒸煮效果；而且能显著节约蒸汽用量。用蒸汽喷射加热器蒸煮淀粉，是造纸工业淀粉蒸煮系统的发展方向，见图10。

图10 淀粉半自动蒸煮系统

3 淀粉蒸汽喷射蒸煮关键的设备-水热器

3.1 蒸汽喷射加热器-水热器

以上介绍的淀粉蒸煮整套设备中，关键的蒸煮设备是蒸汽喷射加热器，喷射器也称水热器，能够瞬间均匀稳定地加热淀粉。其原理和系统设置见图11、图12。

图11 水热器蒸煮淀粉原理

图12 用于表面施胶的酶转化淀粉水热器连续蒸煮系统

造纸工业目前采用进口的喷射加热器主要有美国HYDROHEATER水热器和德国BVG水热器，国内也有很多厂家生产蒸汽喷射加热器，如上海兆光、安徽天长、长沙水泽等。国内产品多采用“以料带汽”的蒸汽喷射加热方式;国外产品多采用“以汽带料”的蒸汽喷射加热方式，长沙水泽生产的SZE型专利产品综合了国内“以料带汽”和国外“以汽带料”两种蒸汽喷射加热方式，进一步增加了蒸汽与料液的接触，强化了微湍流，使加热更加快捷、均匀、彻底。

图13和图14分别是国产和美国的水热器构造图。

图13 国产水热器构造

3.1.1 美国HYDROHEATER水热器的结构

图14 美国HYDROHEATER水热器的结构

美国HYDROHEATER内控式水热器的结构 (见图12)：水热器装有一蒸汽喷嘴，蒸汽喷嘴内有一高精确度棒针，可前后位移以改变喷嘴面积，能精确控制蒸汽流量、从而控制流出液料的温度。因控制点与加热点接近，蒸汽分压可保持不变，确保了喷射器在较广范围内稳定工作。在一般条件下，喷射器可将出流液料的温度控制在±0.25℃之内。与一般的直接加热设备比较，喷射器温控反应快，温控较准确且较稳定。

协调管是喷射器特有的装置，其作用是对入流的液料提供可控制的机械剪切,提供加热区的搅拌功能。液料必须通过协调菅与蒸汽喷嘴间的环状区才能进入加热区与蒸汽混合。环状套管造成液料以环带状高速湍流的方式流入加热区。

3.2 水热器的工作原理

图15显示加热处理淀粉液料时，半关闭协调管，液流受限，液流成环带状进入，并形成跨加热区的压力降。这个压力降提供了加热区的机械剪切和强力搅拌。

图15 水热器的工作原理

由于协调管的作用使液料以环带状湍流的方式高速（30m/min）流入加热区，而蒸汽以音速（＞300m/s）喷出喷嘴，撞击在气相/液相界面，使得界面的淀粉液料形成雾滴状，每一滴雾状液料被悬浮于蒸汽之中与蒸汽充分接触、迅速混合凝结，完全以单相热液料的形态迅速流出，整个过程在瞬间完成。每一滴液料在加热区都经过同样的高速剪切、搅拌、雾化、加热，彻底地完成淀粉液料蒸煮加热过程。

进口的水热器价格十分昂贵，目前国产化产品还不是很成熟，性能较进口的差；水热器及其

全自动程序设计均需国产化和进一步提高。

4 结语

直接蒸汽喷射加热技术已在全球包括制浆造纸、生物乙醇、淀粉糖、淀粉深加工等行业成功运用。水热器不仅能透彻的蒸煮淀粉，其最大的优点是节能。采用水热器代替普通喷枪，可节约蒸汽35%，若代替普通罐式加热，节能降耗效果更显著。根据现场数据测试，蒸汽耗量仅为原来的12.86%。

为加快推广先进节能技术，提高能源利用效率，实现“十二五”期间单位国内生产总值能耗降低16%的约束性指标，财政部、国家发展改革委采取“以奖代补”的方式，对企业实施节能技术改造给予适当支持和奖励，东部地区根据项目完工后实现的年节能量按240元/t标准煤，中、西部地区按300元/t标准煤给予一次性奖励。在节能降耗上，能耗大户造纸工业确实还有很多文章可做。从长远考虑，大型制浆造纸成套设备和一些先进的基础设备如水热器，不能长期全部从国外进口、被国际公司垄断。今后应在引进、消化、吸收的基础上，充分发挥自身优势，增强自主创新能力、实施赶超战略。通过发展高新技术，推进水热器国产化，逐步为大中型制浆造纸企业提供世界一流的技术装备。

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黄鸿：高级工程师，毕业于华南理工大学制浆造纸工程专业，先后发表论文与报告30余篇，有多项科研成果获奖。戴拓:长沙水泽加热设备制造有限公司经理，工程师，从事蒸汽喷射加热设备的研究，并曾获国家发明专利。

2012-10-15