我国造纸用非木材纤维和废纸原料供应与利用

　　摘要:非木材纤维和废纸是我国造纸工业的重要纤维原料。介绍了我国的竹子、麦草、蔗渣、芦苇等非木材纤维和废纸原料资源及其制浆造纸发展概况与技术进步。

　　关键词:中国造纸工业;非木材纤维;废纸;原料资源

　　我国具有丰富的非木材纤维资源。竹子、麦(稻)草、芦苇、蔗渣是我国用于造纸的主要非木材纤维原料。我国早在1000多年前就利用稻草、麦草及竹子等作为手工纸的原料;20世纪40年代,非木材纤维已用于生产机制纸,可谓是世界上用非木材纤维制浆造纸历史悠久的国家。新中国成立以来,非木材纤维制浆造纸在我国纸业发展史上发挥了重要的作用,已成为世界上非木材纤维造纸规模最大、生产经验最丰富的国家。

　　废纸是重要的可再生资源。废纸的回收利用具有节约原料,减少污染,降低能耗,降低成本等重要意义。改革开放以来,我国政府十分重视废纸的回收利用,回收利用的废纸数量逐年增加,尤其是2000年以后,废纸用量每年以300万t以上的速度猛增,2008年度废纸浆用量已增加到4439万t(折合废纸5549万t),占纸浆总用量的60%。用废纸浆生产的纸张品种增多,产品的质量不断提高,废纸已成为当今我国造纸工业发展不可缺少的主要纤维原料。

　　本文介绍了我国非木材纤维制浆与废纸回收利用的发展与技术进步概况。

　　1、我国造纸工业纤维原料结构的变化

　　从1990年到2008年间,我国造纸工业纤维原料结构有了明显的变化。在总用浆量中,木浆比重由1990年的14.6%上升到2008年的22.0%;废纸浆的比重由1990年的8.2%上升到2008年的60.0%,尽管非木浆的总产量逐年有所增加,但其比重已由1990年的57.2%下降到2008年的18.0%。

　　废纸浆比重逐年增加,国产木浆产量明显增加,进口木浆的数量也逐年增加,但我国非木浆消费量占原生浆的比例很高,1997年非木浆占国产原生浆的86.5%,2004年占83.2%,2008年仍占68.3%。

　　2007年10月,国家发展改革委员会发布《造纸产业发展政策》,要求我国造纸工业充分利用国内外两种资源,提高木浆比重,扩大废纸回收利用,合理利用非木材,逐步形成以木纤维、废纸为主,非木纤维为辅的造纸原料结构;并对造纸产品质量、生产规模、技术与装备、能源消耗、环境保护等方面提出了严格的要求,使非木材纤维制浆造纸企业的发展面临严峻的考验,同时又有利于促进非木材纤维制浆造纸的技术进步和可持续发展。

　　2、竹子制浆发展概况与技术进步

　　我国具有丰富的竹资源,主要分布在南方的福建、四川、广西、广东、湖南、贵州、云南等省(区),具有明显的地带性和区域性。竹子是最早用于机制纸的纤维原料之一,在新中国成立初期,已有一些纸厂(如宜宾纸厂、长江纸厂、重庆纸厂等)用竹子生产竹浆,用于抄造在当时来说已是很好的高级印刷纸、书写纸、打字纸等,用本色硫酸盐竹浆配抄纸袋纸。

　　据统计,我国竹类有48属500余种,全国竹林面积约550万hm2,蓄积量15123万t,被誉为第二森林。我国竹类品种大体分为两大类:一类为薄壁中小径竹,竿壁厚2～8mm,竿径20～60mm,如黄竹、水竹、白夹竹、西凤竹、龙竹、苦竹、慈竹、青皮竹、麻竹等,这类竹子统称为杂竹。杂竹林约占全国竹林面积的1/3,是目前我国用量最多的制浆造纸竹种。另一类为厚壁大径竹,竿壁厚10～20mm,竿径80～200mm,主要为毛竹,也称楠竹,是我国主要经济竹种。目前毛竹约占全国竹林总面积的70%,总蓄积量达1.2亿t。

　　竹子是一种优良的造纸纤维原料。竹子纤维属中长纤维原料,且长宽比大,纤维素含量较高,灰分含量较低。数据表明,上述8种竹子的纤维平均长度在1.70～2.60mm之间,以大龙竹的平均长度最大,为2.60mm;长宽比除毛竹外,均大于110;大龙竹的壁腔比最小,为1.86,其次是毛竹,为2.86,其他6种竹子的壁腔比均较大,对蒸煮时药液的浸透和打浆时纤维的细纤维化有一定的影响。

　　测定结果表明,8种竹子原料化学成分含量差异较大,以大径类毛竹的冷热水和1%NaOH抽出物含量为最高,分别为8.56%、10.80%和27.91%,但大径类毛竹和大龙竹戊聚糖含量比小径类竹子低,仅为14.52%和15.61%。小径类绵竹综纤维素含量最高,测定值为72.68%;黄竹的灰分含量居8种竹子之首,高达2.82%。8种竹子原料化学成分与其他造纸原料比较,可以概括为:综纤维素含量在62%～73%范围内,因产地的不同各品种之间的综纤维素含量有差异。

　　这一指标介于针叶木和阔叶木之间,接近于龙须草和除髓后的蔗渣,但比麦草和芦苇高;木素含量在21%～27%的范围内,略低于针叶木,与阔叶木相当;戊聚糖含量在14%～21%范围内,与阔叶木和麦草原料相接近,但此值比针叶木高出1倍左右;1%NaOH抽出物为21%～28%,比木材原料高但低于草类原料;灰分含量为1.0%～2.9%,竹子的灰分主要集中在皮部和节部,而纤维束和薄壁细胞组织带中含量很少。

　　竹子制浆技术基本采用木浆的工艺与设备,竹浆单条生产线由年产1万～5万t发展到目前的10万～25万t。年产25万t的贵州赤天化是目前国内规模最大的现代化竹浆厂,四川永丰新建的年产17万t竹浆厂也已顺利运行。在过去几年,我国竹浆产量及占原生浆比例有显著的增长,竹浆在非木浆中的比例由20世纪90年代的2%左右增加到目前的10%左右。

　　竹子备料由以前的干法备料发展到今天的干法切料、筛选,随后洗涤、脱水,送蒸煮;切竹机从刀辊式切竹机、刀盘式切竹机发展到今天广泛使用的鼓式切竹机(德国Pallmann产或国产);竹片的洗涤采用鼓式水洗机和双螺旋脱水机,封闭循环洗涤,定期排渣。竹片的净化处理是制浆和碱回收系统高效运行的良好开端。

　　竹子蒸煮以往多用蒸球或常规立锅,蒸煮能耗高,控制水平低,劳动强度大。1966年广西柳江造纸厂引进了第一套日产50t竹浆的Pandia横管连蒸系统,用于生产硫酸盐竹浆。20世纪80年代末,第一套用于竹子蒸煮的Asthma塔式连续蒸煮器引入宜宾纸厂,开创了国内使用塔式连续蒸煮的先例。20世纪90年代,广东鼎丰引进了RDH低能耗间歇蒸煮系统,具有比传统间歇蒸煮汽耗低、得率高、浆质好、卡伯值低、黑液浓度高等优点。目前,位于世界技术最前沿的G2型紧凑连续蒸煮系统已在我国最大的竹浆厂———贵州赤天化投入运行。该系统在能耗、环保和控制水平等方面更显优势,吨浆耗汽0.50～0.55t,煮后卡伯值16左右,得率≥50%。在RDH基础上改进与提高的DDS蒸煮系统也已在广东鼎丰、四川永丰新建制浆生产线等运行,在热能利用、药液均布、控制水平等方面有进一步的改进,吨浆耗汽0.65～0.80t,蒸煮得率≥48%。

　　传统的竹浆洗涤多采用老式真空洗浆机和低浓常压筛选。20世纪90年代以后,循环用水逆流洗涤、压力封闭筛选技术已在竹浆厂广泛使用。洗涤和筛选组合在一起,选用中浓压力筛进行封闭热筛选,清水从浆料的最后一台洗浆机加入,进行逆流洗涤。如贵州赤天化,将洗浆、筛选、氧脱木素和漂白整线统一考虑,合理组织,清水(热水)从TCF漂白的PO/OP段逆流进入氧脱木素段,逆流至蒸煮置换洗涤后,黑液送碱回收,黑液提取率>99%;采用新型压榨洗浆机出浆浓度高,稀释因子小,减少了漂白纸浆中挟带的污染物。

　　竹浆漂白已由传统的含氯漂白向ECF和TCF漂白方向发展。氧脱木素技术从20世纪90年代引入国内几个竹浆厂,到现在已普遍应用。大多竹浆厂采用单段氧脱木素,纸浆卡伯值可降低40%以上。贵州赤天化的竹浆生产线采用段间不洗涤的两段氧脱木素,并配备有氧化白液系统,脱木素率达到50%以上。

　　目前,用得较多的竹浆漂白流程为O-D/C-EOD,漂白浆白度稳定在85%～87%,漂白废水污染物排放量为CODCr34～60kg/t浆,AOX0.9～1.7kg/t浆。部分竹浆厂已取消元素氯的加入,将D/C段改为D0段,并在EO段加入少量的过氧化氢(即EOP段),采用此ECF漂白流程O-D0-EOP-D,纸浆白度≥87%,漂白废水污染物排放量CODCr<30kg/t浆,AOX<0.4kg/t浆。四川永丰引进Metso的技术和装备,采用O-Q-PO漂白流程,是国内第一条竹浆TCF漂白生产线,纸浆白度在80%左右。贵州赤天化采用轻ECF和TCF两种互换的漂白流程,即OO-Q-OPD-PO和OO-Q-OP-Q-PO,纸浆白度≥88%;更为良好的封闭水循环系统使漂白废水污染物排放量大幅度降低。轻ECF漂白废水排放的CODCr降至22kg/t浆,AOX也进一步降低;TCF漂白废水排放的CODCr<17kg/t浆。

　　3、麦草制浆发展概况与技术进步

　　麦草主要分布在河南、山东、河北、江苏、宁夏等小麦重产区。麦草是我国最早的制浆原料之一,也是在非木材纤维中产浆量最高的原料。我国年产麦草约8000万t,目前用于造纸的麦草量仅占总量的20%左右。

　　麦草可分为茎秆、节、鞘、叶、穗等部位,秸秆全秆中节、鞘、叶、穗约占总质量的48%,茎秆部仅占52%左右。各部位之间在纤维形态、化学组成有很大的差异,各部位在蒸煮过程中的变化也不同。

　　鞘、叶、穗部的灰分、1%NaOH抽出物和戊聚糖含量均高于茎秆部,灰分平均含量为茎秆部的1.72倍(不含夹带的泥砂),抽出物含量是茎秆部的1.28倍,而综纤维素含量却远低于茎秆。研究表明,麦草鞘、叶、穗中含有大量薄壁细胞和细小纤维,这些组分在制浆过程中消耗的碱量多,但脱木素速率低,成浆较困难,且纸浆得率只有茎秆的2/3左右,薄壁细胞和细小纤维对浆料滤水性有显著的影响。草浆滤水性差是草类制浆造纸的致命弱点,它不但造成草浆黑液提取率低,浆料洗涤困难,废水污染负荷高,而且造成纸机车速低,纸料脱水慢,纸幅断头多等一系列抄造困难。

　　草浆不同筛分组分的打浆度和保水值,可见草浆滤水性差的原因之一是草浆比木浆有更多的细杂组分,使草浆的初始打浆度和保水值都比木浆高得多。

　　新中国成立后至20世纪80年代,约有上万家10t/a以下的小型麦草浆厂遍布全国,全国麦草浆产量至1990年增长到约600万t,在纸张需求快速增长而供应短缺的状况下,起到重要的作用。但这些小厂设备陈旧,技术落后,产品质量差,大多没有碱回收系统,造成严重污染。20世纪90年代之后,我国关闭了5000多家年产5000t以下的小型草浆厂,同时建设了一批年产3万t以上规模的麦草浆厂,并配备有整套的碱回收系统,使麦草制浆技术从原料的备料净化、蒸煮、洗涤、筛选及漂白等方面均取得进步和发展,例如横管连蒸、置换蒸煮、冷喷放技术、浆料挤压+真空扩散洗涤、压力式除节和封闭压力筛选、氧脱木素和过氧化氢漂白。山东、河南等地扩建或新建了一些较先进的麦草浆生产线,1995年我国禾草浆(绝大多数为麦草浆)达到870万t,之后也稳定在800万t/a以上,而且麦草浆生产的集中度有明显的提高。

　　禾草类秸秆并非所有部位都适合于造纸,应该在原料进入制浆前尽可能将有害无益的组分除去。强化禾草类秸秆的备料过程,除去灰尘、草叶、梢、穗,是获得浆料滤水性能好、黑液黏度低的关键。目前国内较多采用的草类备料流程和装置为:原草※刀辊切草机※辊式除尘器※双锥除尘筛※输送皮带※湿法备料连蒸/蒸球或立锅。山东泉林纸业为达到麦草清洁制浆的目的,研制出麦草清洁备料流程。麦草经过粉碎机粉碎分丝,再经过旋风除尘器风选除去轻尘,经过圆筒筛除去重质的细小沙石、碎秸和细碎草叶,得到洁净合格的草片,除尘、除杂率达到23%～28%,可使蒸煮用碱量由13.0%降至10.5%,漂白浆得率提高5%;配合其高硬度置换蒸煮系统,黑液黏度下降50%,黑液提取率达到90%～92%。

　　麦草蒸煮主要采用烧碱或烧碱-蒽醌法,蒸球、立锅是多数中小型麦草浆厂采用的蒸煮设备,投资较低,见效快,其主要问题是能耗高,用汽不均,直接喷放热回收效果差,成浆不匀,质量不好,粗浆得率偏低,带来滤水性能差,黑液黏度高,不利于黑液提取和碱回收,且自控水平低,劳动强度大。为此,制浆造纸科技工作者一直为改变这种落后工艺而努力,主要技术措施有:提高蒸煮液比,采用冷喷放技术;采用低温快速均匀蒸煮工艺和干湿法备料+横管连续蒸煮技术;采用两级蒸煮,如山东泉林纸业参考木浆RDH蒸煮技术的基础上开发的大液比蒸煮锅麦草高硬度置换蒸煮技术,采用锅内高温洗涤和冷喷放技术,提高了纸浆质量,降低了黑液黏度,实现了黑液的循环使用和高黑液提取率。

　　传统的麦草浆洗涤和筛选分成两个独立系统,洗涤水进入各自的系统。纸浆洗涤(黑液提取)通常采用普通真空洗浆机,筛选采用低浓常压开式筛选,如振框式平筛、CX筛,耗水量大,能耗高。目前国内行之有效并已得到推广应用的麦草浆黑液提取与筛选系统是:挤压-置换洗涤-封闭筛选组合,即采用双辊或螺旋挤浆机+新一代平面阀波纹板真空洗浆机(4+1或3+1)逆流洗涤流程+封闭筛选系统。黑液提取率可达90%以上,洗涤与筛选用水逆流循环使用,用水量可降至40m3/t浆以下。

　　麦草浆漂白经历了缓慢的发展过程,采用的漂白方法很长时间为低浓度次氯酸盐单段漂和CEH三段漂,用水量大,化学品用量高,漂白浆白度和强度低,废水污染物浓度高。由于大多数麦草浆厂规模较小,采用CEH漂白运行成本低,漂白浆白度可达80%左右。从经济上考虑,企业大多数选择了CEH漂序。随着国家环保要求的日益严格,元素氯的禁止使用,麦草浆的漂白技术会逐渐向ECF和TCF推进。

　　2008年,全麦草浆中浓短序O-Q-PO清洁漂白生产线已在河南某制浆造纸企业成功投运,漂白浆白度达到80%以上,裂断长达到7.0km以上。此漂白工艺的中段漂白废水排放量为30m3/t浆,比传统CEH漂白废水排放量减少60%。

　　4、蔗渣制浆发展概况与技术进步

　　蔗渣是甘蔗糖厂的副产物,其量较大且较集中。甘蔗主要产区有广西、福建、海南、四川、云南、广东等省(区),广西是最主要的产糖区,也是蔗渣浆的最大产区,其蔗渣浆产量约占全国的90%。

　　甘蔗纤维长度一般为1.0～2.3mm,宽度为16～30μm,长宽比为60～80,壁腔比则小于1,具有长度中等、宽度较大、壁腔比很小的特点。从化学组分看,蔗渣的纤维素含量和戊聚糖含量较高,木素含量较低,苯-醇抽出物含量较低。蔗渣的灰分含量虽比木材高,但均低于其他草类原料,仅为稻草的1/5,麦草的1/2～1/3。因此,蔗渣是一种优良的造纸原料,蔗渣浆黑液的碱回收难度也比其他非木材纤维低。

　　我国年产蔗糖600万t左右,每年可产除髓绝干蔗渣约400万t,按纸浆得率48%计,可年产漂白蔗渣浆192万t,但目前用于造纸的蔗渣只占可利用量的50%左右,相当一部分被用作锅炉的燃料。广东原为我国蔗糖主要产区,随着糖区西移,广西已成为我国最大的产糖区。针对蔗渣原料优势,广西大力发展蔗渣制浆造纸,已取得显著成绩,蔗渣浆产量逐年增加[13]。除用于掺配制造各种文化、生活用纸外,还生产商品蔗渣浆销往区内外。表13为1985—2008年我国蔗渣浆产量,表14为我国重点蔗渣浆生产企业。从表13可以看出,2008年我国蔗渣浆产量已接近100万t,约为1985年蔗渣浆产量的4倍,已占原生非木浆的7.5%。

　　蔗渣中除含有纤维细胞外,还有30%左右的由松软、粗而短的薄壁细胞组成的蔗髓及5%左右的非纤维表皮细胞,所以蔗渣备料的关键是除髓。除髓的方法有半湿法、干法和湿法。目前,一般在糖厂压榨后蔗渣含水量在50%左右时进行半湿法除髓,然后打包堆垛储存,使用前散包后干法除髓。近年有多家浆厂采用湿法储存,使用前进行湿法除髓。广西贵糖集团开发一种蔗渣洗涤设备,该设备由洗涤机、耙齿输送机、压榨机3部分组成,洗涤和除髓效果好。目前,广西已有多家蔗渣浆厂采用这种设备,有效地降低了制浆和碱回收成本,保证了成浆质量。

　　除广东江门甘化采用亚硫酸氢镁盐法、广西横县君盈、马山和发强采用亚铵法制浆外,其他蔗渣浆厂几乎都采用烧碱法或烧碱-蒽醌法蒸煮,制浆性能好,易煮易漂,化学品用量比木材少得多,比其他非木纤维原料也少。蒸煮设备多数采用蒸球,少数浆厂采用立式蒸煮锅。广西东亚采用国产横管连续蒸煮器,蒸煮时间短,纸浆质量好,一些拟建蔗渣浆厂也将采用这种横管连续蒸煮器。

　　蔗渣浆的洗涤筛选正朝着逆流置换洗涤和封闭筛选的方向发展。广西贵糖新建的10万t/a蔗渣浆生产线采用先进的外流式中浓压力筛和真空洗浆机为筛选主体设备,取代原有的低浓压力筛、CX筛和圆网浓缩机,吨浆水耗、电耗大幅下降,细浆质量也显著提高。

　　由于蔗渣浆容易漂白,加之从成本上考虑,目前大多数蔗渣浆厂仍采用CEH三段漂,在较低的化学品用量下,可将蔗渣浆漂至80%左右的白度。广东江门甘化在CEH之后加一段高浓过氧化氢漂白,即改为CEHP漂白,减少C段和H段的用氯量,而漂白浆白度和白度稳定性明显提高。随着环保要求的日益严格,蔗渣浆的漂白技术必将向ECF和TCF的方向发展。