利用三段逆流压榨系统提取蔗渣浆黑液

谢雪金 李双洋 黎振球

(青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042)



·蔗渣浆黑液提取·

利用三段逆流压榨系统提取蔗渣浆黑液

谢雪金 李双洋 黎振球*

(青岛科技大学化工学院,山东青岛,266042)

采用自行设计的三段逆流压榨系统提取蔗渣浆黑液，该系统不使用滤网和滤孔,采用机械压榨脱水的方式,提高黑液浓度。三段逆流压榨系统分析表明，黑液提取率与原黑液浓度无关,与外补水量和浆浓有关。结果表明,当压浆机的出浆浓度为33%、外补水量为3 t/t浆、喷放池浆浓为10%时,三段逆流压榨系统的黑液提取率为93.65%。

碱回收；蔗渣浆黑液；高浓度提取；机械压榨；逆流压榨

目前世界上先进的木浆黑液提取率接近100%,而我国麦草浆黑液的提取率偏低,一般为80%～88%,甚至更低[1]。低的黑液提取率严重妨碍着草浆碱回收的发展,造成草浆碱回收成本高,二次污染严重的局面[2]。目前国内用洗涤设备来提取黑液,木材制浆黑液提取采用鼓式真空洗浆机；麦草浆黑液提取设备的选用则走了很多弯路，从真空洗浆机到螺旋压榨机、沟纹挤浆机、水平带式挤浆机、双辊挤压机等均无明显成效[3]。这些设备的特点是消耗大量的水来进行稀释和流送,使水的消耗量增大,同时黑液提取不够完全。因此,提高草浆黑液提取率的工艺和设备的研发是当务之急[4]。

传统的洗浆方式遵循稀释-混合-过滤的流程。用大量的水去置换纸浆中的废液,利用浓度梯度,使纸浆中的黑液从高浓向低浓扩散,给黑液高浓提取带来困难。大量水的注入稀释了黑液,纤维内外浓度差逐渐减少，分子扩散过程需要较长的时间。置换原理是：在外力的作用下,洗涤水透过纸浆形成的滤层,从纤维孔隙通道中穿过,把纸浆中的黑液带出。置换原理利用了扩散和过滤作用。置换洗涤可以示作是纤维过滤器的反洗,即纤维滤饼的洗涤。当水进入纸浆时,水首先置换纸浆中黑液,然后在纸浆层中黏滞流动,最后穿过纸浆层[5]。不难发现扩散或是置换原理都是建立在外部水注入的基础上。需要大量稀释用水和较长的渗透时间来获得黑液提取率的提高是它们共同的特点。由于蔗渣浆的特点是杂细胞多、泡沫严重、细小纤维多,在洗浆过程中容易糊网,难于洗涤。目前采用鼓式真空洗涤设备来提取蔗渣浆黑液效果不太理想[6]。为改变老式网型、孔隙型提取设备易于糊网、塞孔,造成黑液提取率不高的问题，本实验设计了一种蔗渣浆黑液提取系统,利用压榨的方式来提取黑液。由于该系统避开了网和孔隙型的设计,因此可以不用担心因加大工作压力造成网的损坏,同时避免了孔隙型设计的孔堵塞或浆料从孔隙流出造成的浆耗过大现象。把加压、提浓和降低浆耗有机地结合在一起。从压榨机的原理来说,黑液提取事实上是一个分离过程,分离是将混合物转变成组成互不相同的两种或几种产品的操作[7]。压榨是利用机械力从含有液体的固体物质中榨出液体，即在外加压力梯度的作用下强迫黑液流动的趋势。压榨的机理是过滤和压实，分离效果与压力有关,蔗渣浆干度与压榨压力的关系如表1所示。

表1 蔗渣浆干度与压力间的关系

从表1中可以看出,物料受压愈大,其干度会增加。但由于每种物料有其自身的体积,所以达到一定的干度后物料干度就很难再上升。

诺·边尔对蔗渣浆的压榨提出了经验公式，见公式(1)。

P=7/(10C)6

(1)

式中,P为压力,C为压缩比,从式(1)中可以看出,压力与压缩比的6次方成反比,由于压力不能无限增大,所以压缩比会有一定的限制。因此压缩过程中,物料的干度会保持在一定的范围内。

压榨是造纸过程中常用的提高纸幅干度的手段。在卫生纸原纸生产中利用汽缸加压托辊,在0.4～0.5 MPa的压力下,可以使纸幅达到接近40%的干度。采用新式复合压榨,纸幅干度可达48%～50%[8],用机械压榨的方式容易使纸幅达到60%以上的干度[9]，因此采用压榨脱水提取高浓黑液是有可能实现的。

1 黑液提取工艺

1.1 主要原料

蔗渣浆黑液取自南宁糖纸厂炉前黑液,浓度48%～49%，成分分析略。

1.2 提取原理

(1)利用压榨方式使蔗渣浆体积变小。

图1 蔗渣浆黑液提取工艺流程图

(2)由于液体的不可压缩性,浆料受压后,黑液从纸浆层中析出，并流入下压辊的沟纹,排向集液槽。蔗渣浆黑液的提取工艺流程如图1所示。

(3)在系统中,设喷放仓浆浓为X0,黑液浓度为C0,压浆机出浆浓度为X,各段提取的黑液浓度分别为C1、C2、C3；相应的黑液量为V1、V2、V3。外加水量为W，以吨绝干浆为单位进行运算。由于提取过程中纸浆损失小,而且还可通过过滤回收绝大部分的纸浆,所以此处忽略不计。

假定图1中C0=C1,

V1=1/X0-1/X

(2)

V2=V3=W

吨浆中液体量为1/X-1,令Y=1/X-1为纸浆中液体量,所以

V1=Y0-Y

(3)

对于二段压浆机有：

YC1+V3C3=YC2+V2C2

YC0+WC3=YC2+WC2

(4)

对于三段压浆机有：

YC2=YC3+WC3

(5)

联立方程,解得：

C2=C0Y(W+Y)/[(Y+W)2-WY]

(6)

C3=C0Y2/[(Y+W)2-WY]

(7)

C2/C3=1+W/Y

(8)

设黑液提取率为E:

E=送碱回收固形物量/总固形物量

E=(V1C1+V2C2)/(C0V0)={(Y0-Y)C0+WC0Y(W+Y)/[(Y+W)2-WY]}/C0Y0

(9)

从式(9)中可知,黑液提取率与原黑液浓度无关,只与外加水量和纸浆中液体量即浆浓有关。二段、三段的浓度比与外加水量和浆浓有关。

1.3 工艺参数设定

1.3.1 出浆浓度的设定

首先研究出浆浓度对黑液提取的影响问题,对于式(9),设立两个条件：①外加水量为3 t；②喷放池浆浓为12%。然后改变压浆机的出浆浓度,其对黑液提取率的影响如表2所示。

表2 出浆浓度与黑液提取率的关系

从表2可知,压浆机出浆浓度越高越有利于黑液提取。但浓度过高会对压浆机的设计要求过高,所以出浆浓度以30%～40%为宜。设定压浆机的出浆浓度为33%。

1.3.2 喷放池浆浓的设定

喷放池浆浓也是影响黑液提取率的关键因素。表3为喷放池浆浓与黑液提取率的关系。

表3 喷放池浆浓与黑液提取率的关系

注 压浆机出浆浓度为33%。

从表3中可以看出，喷放池浆浓在8%～12%的范围内,黑液提取率变化不大,而这个浓度就是实际生产中的浓度。所以设定喷放池浆浓为10%。

1.3.3 外加水量的设定

外加水量W对黑液提取率的影响如表4所示。

表4 外加水量对黑液提取率的影响

注 喷放池浆浓10%,压浆机出浆浓度为33%。

从表4中可以看出，每吨绝干浆外加水量在3 t时,无论从黑液提取率还是从黑液提取量上均可以满足生产要求。

考虑到工艺条件及经济性原则，设定压浆机工艺参数为:出浆浓度33%,外加水量3 t/t浆,喷放池浆浓10%。

1.4 实验设备参数

黑液提取机采用自行设计的压浆机,图2为示意图。

压浆机参数为：开口15 mm、最大开口25 mm、压辊直径300 mm；下辊为沟纹辊：沟宽1 mm、沟距3 mm、辊转速11 r/min，配用电机4 kW,车速750 r/min，出浆浓度33%,产量3 t/h。

图2 压浆机示意图

2 应用效果与讨论

2.1 压浆机实验结果

在液比1∶2.6、14 m3蒸球装锅量为1600 kg(绝干)、烧碱为240 kg条件下蒸煮，蒸煮压力在2 h升至0.65 MPa，保压0.5 h后喷放。将蒸煮后的蔗渣浆(喷放浆)放入压浆机,调节上辊压力使压浆机出浆干度为33%,并按图1工艺要求加入循环水,实验结果如表5所示。

表5 压浆机实验结果

2.2 黑液回用蒸煮结果

把二压的黑液部分用于蒸煮,以降低蒸发站的负荷,同时减少蒸煮时配药用的清水。这部分的液量一般占蒸煮配药用水量的10%。此时因黑液回用而增加的蒸煮液固型物含量为74.24 kg/t浆,即9 g/L。黑液回用对蒸煮的影响见表6。

由表6可知,随着蒸煮液固形物含量的增加，纸浆卡伯值和粗浆得率有小幅度增加,10%左右的黑液回用对制浆造纸不会产生太大的影响。

表6 黑液回用蒸煮实验

注 蒸煮液比1∶5,最高温度165℃,保温1.5 h,用碱量15%。

3 结 论

尽可能提高提取黑液和入炉黑液浓度是解决现行蔗渣浆黑液碱回收存在问题较为有利和直接的办法。采用三段逆流压榨提取蔗渣浆黑液时，黑液提取率与原黑液浓度无关,与外加水量和纸浆中液体量即浆浓有关。压浆机出浆浓度越高越有利于黑液提取,但浓度过高会对设计的要求过高,目前一般不超过35%。喷放池浆浓在8%～12%范围内,黑液提取率变化不大,实际生产中就是采用这个浓度。利用自行设计的三段逆流循环压浆系统,可使蔗渣浆的出浆干度达到30%～35%,且可以提高黑液提取率,例如：出浆浓度设定为33%,每吨浆的外加水量为3 t,吨浆就能提取10 t黑液,此时黑液提取率为93.65%。

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(责任编辑：刘振华)

Extraction of Bagasse Pulping Black Liquor by Using Three Stages Countercurrent Pressing System

XIE Xue-jin LI Shuang-yang LI Zhen-qiu*

(College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao, Shandong Province, 266042)(*E-mail: lizhenqiu@qust.edu.cn)

In order to improve the extraction rate of black liquor of bagasse pulp, the study analyzed the problem in bagasse pulp black liquor extraction, and used mechanical pressing to realize the extraction of bagasse pulping black liquor in higher concentration. Using the self-designed three stages washing system without filters, the extracted black liquor concentration increased. The system analysis showed that, the extraction rate of the black liquor had nothing to do with the concentration of the original black liquor, which was related to the liquid content of the pulp and the addition of water. On the other hand, by designing presser and presser parameters, the experimental results showed that the output pulp consistency was 33% and the supplementary water was 3 tons per ton of pulp. 10 tons of black liquor could be extracted from 1 ton of pulp, the extraction rate was 93.65%.

alkali recovery; bagasse pulp black liquor; high concentration extraction; mechanical press; countercurrent press

谢雪金先生，在读硕士研究生；主要研究方向：生物质精细化学品。

2016- 05-10(修改稿)

TS733+.5

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.10.003

*通信作者：黎振球先生，E-mail:lizhenqiu@qust.edu.cn。