纸浆绿色漂白技术

2015-11-04申正会

造纸化学品 2015年3期

纸浆绿色漂白技术

该文阐述了纸浆绿色漂白技术的工作机理，并通过应用实例表明，利用空气、水及绿色能源大规模现场制备绿色漂白化学品不仅可行，而且与传统制备漂白化学品的方法相比，其在投资成本和操作费用上更具竞争力。

出于企业经济效益和漂白化学品生产的安全可靠性等方面的考虑，已有纸浆生产商成功将“化学岛”这一概念应用到地处偏远地区并还使用二氧化氯、氧气及少量过氧化氢漂白的纸浆厂——在纸浆厂附近建配套的化学品生产厂（盐、氢氧化钠、酸等化学品仍需外购）。图1为这些纸浆厂与化学品生产厂有机结合的“化学岛”示意图。

图1　纸浆厂与化学品生产厂有机结合的化学岛示意图

二氧化氯的使用会限制回收炉对漂液的循环利用并影响超大规模浆厂的环保性能。来自工业界的反馈表明，绿色漂白概念的实施是一个很有前景的解决方案。该方案仅使用氧气、臭氧及过氧化氢进行纸浆漂白，且纸浆的品质和生产成本与传统漂白手段基本相同。纸浆绿色漂白概念具有以下优势：（1）漂白化学品，如氧气、臭氧及过氧化氢的现场制备可避免前体化学品的运输、生产和贮存；（2）漂白副产品可被转化利用；（3）由于二氧化氯用量减少，工艺用水循环回路增多，浆厂的污水排放质量得到改善（AOX、COD及色度负荷更低）；（4）碳足迹更少。

由于现代化浆厂能够利用制浆过程中分离的生物质发电，现场制备漂白化学品可以减少碳足迹。本文将表明，利用空气、水和绿色能源大规模现场制备绿色漂白化学品不仅可行，而且从投资和操作费用方面考虑，它比市售的漂白化学品更具竞争力。

1　绿色化学岛

绿色化学岛的概念如图2所示。

图2　纸浆厂与化学品生产厂有机结合的绿色化学岛示意图

绿色化学岛可用于生产以下物质：（1）由空气和绿色电能制备氧气；（2）由氧气和绿色电能制备臭氧；（3）由水和绿色电能制备氢气；（4）由氢气、空气和绿色电能制备过氧化氢。

表1显示了桉木浆TCF漂白工艺概况。

表1　桉木浆TCF漂白工艺概况

根据表1，对桉木浆进行绿色漂白时，达到最佳白度需要臭氧的添加量为5 kg/t（绝干浆），过氧化氢的添加量为6～20 kg/t（绝干浆）。

一家超大规模浆厂项目［产量150万t（绝干浆）/a，年运行时间以355天计］的漂白化学品的日消耗量为22 t臭氧，85 t过氧化氢。

2　氧气与臭氧的制备

制浆工艺使用的臭氧浓度通常为质量分数12%。制备每千克臭氧仅需10 kW·h电能和8.3 kg氧气。

臭氧生产厂设计紧凑，运行可靠，操作简便，只需3个操作单元便能达到22 t/d的产量，氧气（质量分数为12%）的消耗量为184 t/d。

真空变压吸附（Vacuum Swing Adsorption，VSA）是当今制氧领域最具竞争力的技术，其投资和操作费用较低温制氧技术有所降低，且其现场制备只需消耗空气和电能。为达到生产要求，建议安装2套真空变压吸附系统。将氧气配送至臭氧厂需要的电能为0.3 kW·h每千克氧气。

在臭氧段（Z段）出口，每天有162 t剩余氧气用于其他用途，如氧脱木素、氧和过氧化氢强化的碱抽提段（Eop段）、白液氧化及废液处理。Z段排放氧气（尾气）的压缩成本较贮存额外容量的氧气成本更低。压缩尾气所需的能耗为0.2 kW·h每千克氧气。图3显示了整个工艺流程中氧气所发挥的作用。

图3　氧气/臭氧流程

3　氢气和过氧化氢的制备

生产85 t/d产量的过氧化氢所需的氢气量为5.35 t/d。通常利用蒸气改良工艺从天然气或氯气厂和/或次氯酸钠厂尾气制备氢气。现场制备氢气的另一种办法是聚合物膜电解技术（PEM）。该技术只需消耗电能和去离子水并已应用于锅炉回收系统；生产5.35 t/d的氢气需要功率为13 MW的电解槽。图4显示了PEM的工作原理示意图。

图4　PEM的工作原理示意图

图5显示了过氧化氢制备流程图。过氧化氢制备在叫做“工作溶液”（working solution）的溶剂系统中进行。蒽醌在过氧化氢制备过程中用作催化剂，烷基蒽醌氧化成相应的烷基氢醌，烷基氢醌进而被空气中的氧气氧化生成过氧化氢和烷基蒽醌。

用水将过氧化氢从溶剂系统中萃取出来，而烷基蒽醌经再生处理后可循环使用。水萃取获得的过氧化氢是否需要纯化和/或浓缩视需要而定。此制备反应中氢气和去离子水用作原料，氧气用作氧化剂，烷基蒽醌可回收和循环利用。

4　传统漂白与绿色漂白的比较

由上，超大规模浆厂仅利用空气、水和绿色能源来生产其所需的漂白化学品是可行的。由于避免了漂白化学品的直接购买；且绿色能源由废弃物产生，漂白的整体成本将显著下降。绿色漂白使得滤液能够循环利用，这也节省了额外开支。绿色漂白产生的碱性滤液不含氯化物，可在回收炉中循环回用，因而所有的氢氧化钠不需经过白液氧化制备，漂白成本可进一步降低。臭氧段产生的酸性滤液最终被送往蒸发处理；显然，蒸发处理的额外费用应与大型污水处理厂的投资成本和操作费用均衡。绿色漂白将造就零污染浆厂。