Производство бумаги из древесины
Производство бумаги — отрасль деревообрабатывающей промышленности, занимающаяся производством целлюлозы, бумаги, бумажных и картонных изделий.
Бумага известна человеку очень давно, первоначально она в основном использовалась для сбора и организации мыслей и их записи так, чтобы они были доступны другим людям, в том числе будущим поколениям.
Нынешняя важность бумаги намного превышает ее роль в качестве информации и передачи идей.
С развитием промышленности и снижением себестоимости производства бумагу стали использовать в гигиенических целях: примером могут служить туалетная бумага или салфетки.
С ростом значения продаж большое значение приобретает производство бумаги для производства гофрокартона, который затем перерабатывается в экологически чистую картонную упаковку, благодаря возможности вторичной переработки и биоразлагаемости, которой не может похвастаться пластиковая упаковка.
Экстракция волокна
При производстве бумаги, первым делом необходимо получить целлюлозные волокна, это могут быть первичные волокна, получаемые непосредственно из растений, в основном деревьев. Альтернативой первичным волокнам являются вторичные волокна, полученные из макулатуры, т.е. вторсырья. Наиболее ценной макулатурой являются коробки серого цвета из прочного картона, который изготавливается с большой примесью первичных волокон, они обладают наибольшей прочностью.
Как уже говорилось выше, основным сырьем для производства целлюлозы является древесина. В России наиболее часто используемыми деревьями являются сосна, ель и пихта, а в целлюлозной промышленности среди лиственных пород используются береза, бук и тополь.
Из-за постоянно уменьшающейся доступности древесного сырья в него вносятся дополнения в виде однолетних растений и растений не свойственных нашему климату, например, эвкалипта. Здесь следует отметить, что древесина, используемая в бумажной промышленности, не является деловой древесиной, используемой в строительстве.
Так называемое балансы, древесина в виде стволов длиной от 0,5 до 2,4 м, чаще всего не более 1 м. Кроме балансов применяют также мелкоразмерную древесину и отходы лесозаготовки, например, верхние части деревьев, слишком тонкие ветки, пни.
Состав древесины для переработки
Древесина состоит из двух основных компонентов – природных полимеров. Доминирующим является целлюлоза – это основной компонент бумаги, второй полимер – лигнин – мы удаляем из древесины при получении волокон.
Целлюлоза – полимер, относящийся к полисахаридам, имеет линейное строение и состоит из нескольких тысяч молекул d-глюкозы, соединенных бета-гликозидной связью. В древесине одна целлюлозная цепь обычно состоит из 4000–6000 молекул d-глюкозы. Целлюлоза гибкая и прочная, она образует скелет растительных клеток. Лигнин, напротив, имеет аморфную структуру и действует в растении как связующее, заполняя пространства между молекулами целлюлозы.
Основными строительными блоками лигнина являются производные фенилпропана, которые связаны друг с другом эфирными и углеродными связями. До недавнего времени лигнин считался отходом производства целлюлозы и сжигался в процессе восстановления щелочи, но теперь его и его используют в качестве сырья для химического синтеза, производства асфальта, и даже проводятся исследования по его использованию в производстве солнцезащитных кремов. Производные лигнина имеют шанс заменить большую часть соединений, полученных из нефти, и тем самым внести свой вклад в защиту окружающей среды.
Помимо целлюлозы и лигнина, древесина также содержит гемицеллюлозы, экстрактивные вещества и минералы. С точки зрения производства целлюлозы большое значение имеют экстрагирующие вещества, в том числе: жиры, воски и смолы, которые являются веществами, препятствующими процессу производства древесной массы.
Сортировка и окорка древесины
После заготовки древесина поступает из леса на древесный склад целлюлозного завода. На складе древесина сортируется и в бревнах выявляются металлические фрагменты, которые могут повредить оборудование на дальнейших этапах обработки.
После прохождения металлодетекторной проверки стволы поступают на окорочный станок, где с них снимают кору путем трения бревен друг о друга. Снятая кора отправляется в котлы на биомассе, где производится электричество или пар, необходимые для работы установки.
Окоренные бревна поступают на дробилку, где бревно дробится на щепу, затем щепа сортируется, фрагменты нужных размеров – длиной 10-35 мм, шириной 10-20 мм и толщиной 2-8 мм идут на склад щепы, где они собираются для процесса варки. Слишком крупная щепа направляется в дробилки, ее дробят на более мелкие частицы, а затем отправляют обратно в сортировщик. Фракция слишком мелких размеров, например, кора, поступает в котлы на биомассе.
Получение целлюлозного волокна из древесной щепы
Чтобы получить целлюлозные волокна из древесной щепы, необходимо удалить лигнин, связывающий целлюлозу. Процесс извлечения волокон из лигноцеллюлозной биомассы называется варкой древесины. На протяжении многих лет варку целлюлозы осуществляли с использованием различных методов, например, содового, сульфитного, азотного.
В настоящее время преобладающим методом является сульфатный метод, разрабатываются и более щадящие методы, такие как органосольвентный (делигнификация древесины органическими растворителями). При сульфатном методе древесную щепу вываривают в условиях повышенного давления и температуры путем обработки ее варочным щелоком — жидкостью, используемой в процессе сульфатной варки целлюлозы.
Процесс разложения происходит в устройствах, называемых варочными котлами; варочные котлы можно разделить на варочные котлы периодического действия и более современные варочные котлы непрерывного действия.
Процесс варки целлюлозы будет рассмотрен на примере варочного котла непрерывного действия. Такие варочные котлы имеют форму башни, размеры которой адаптированы к планируемой мощности установки.
Щепа со склада поступает в щепоотборник, из которого с помощью щепопитателя транспортируется в испарительную камеру, этот процесс происходит при давлении 0,1‑0,15 МПа. Устройство подачи стружки обеспечивает герметичное уплотнение испарительной камеры.
Древесная щепа в испарительной камере подвергается обработке паром при температуре 120°С с целью удаления из нее воздуха и летучих органических соединений. Из испарительной камеры щепа транспортируется питателем высокого давления в сам варочный котел. В питателе высокого давления щепа находится вместе с варочным раствором, и при вращении питателя щепа и варочный раствор подаются в варочный котел.
Древесная щепа пропитывается щелоком уже в питателе высокого давления, и этот процесс заканчивается в верхней части варочного котла, называемой зоной пропитки. Под этим напряжением стружка движется вниз и нагревается до температуры от 100°C до 125°C. Далее она поступают в зону нагрева, где дополнительно прогревается до 175°С при давлении в этой зоне 1 МПа. Из зоны нагрева щепа попадает в зону варки, где температура еще больше повышается за счет происходящих процессов.
В нижней части зоны варки этот процесс прерывается введением промывных вод, вытесняющих черный щелок и одновременно охлаждающих щепу. Охлажденная щепа поступает в нижнюю часть варочного котла, то есть в зону промывки, где она промывается путем диффузии в противотоке при высокой температуре. При диффузионной промывке черный щелок вытесняется промывочной жидкостью, которая одновременно охлаждает щепу от температуры 150°С до 85°С. После промывки масса дополнительно охлаждается и перед выходом из варочного аппарата достигает температуры примерно 70°С.
Этапы производства бумаги из целлюлозной массы
На первом этапе варки волокнистая масса в виде листов поступает в гидроизмельчитель, где смешивается с водой и измельчается. Листы измельчаются на частицы размером от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, которые образуют в воде суспензию. Полученную суспензию перекачивают в устройство для волокнообразования, где из частиц листов целлюлозной массы получают одиночные волокна.
Волокна чаще всего собираются дисками с отверстиями, в которых волокнообразование происходит не только за счет механического воздействия дисков на суспензию, но и изменениями давления в устройстве. После волокнообразования пульпа очищается на центробежных пескоструйных аппаратах.
Очищенная целлюлозная масса направляется на стадию измельчения целлюлозы. Измельчение – это механическая обработка в водной среде, под воздействием помола пластичность и гибкость волокон увеличивается, волокна укорачиваются и разнообразятся в размерах, выделяется мелкая фракция.
Измельчение также увеличивает удельную поверхность волокон и их способность к набуханию; увеличение набухания волокон напрямую повышает бумагоделательные свойства измельченной целлюлозы. Измельчение происходит в голландских мельницах - в случае периодического процесса или в конических или дисковых мельницах - в случае периодического процесса.
Бумажной массы дозируют в смесительный чан, где соединяют с волокнистыми полуфабрикатами и тщательно перемешивают. Смешанная масса поступает в конусные мельницы, где она подвергается выравниванию – процессу, цель которого – хорошо перемешать все ингредиенты, разрушить пучки волокон. После процесса уравнивания массу разбавляют и дозируют в трубчатые центробежные песколовки или гидроциклоны, где она очищается от тяжелых примесей, которые могли попасть в нее при приготовлении.
Бумажная масса может содержать до 10% воздуха по объему, и для удаления воздуха из бумажной массы ее подвергают процессу деаэрации. Деаэрация происходит в вакуумных емкостях, где инжектированная бумажная масса разбрызгивается на тарелки емкости, выделившийся воздух засасывается вакуумным насосом, а деаэрированная бумажная масса удаляется из емкости и поступает на процесс сортировки.
После сортировки бумажная масса окончательно разбавляется и поступает в чан-хранилище, откуда транспортируется в литник бумагоделательной машины. Через него бумажная масса достигает ситовой части, где формируется бумажное полотно. В ситовой части из бумажной массы удаляется до 25% воды, концентрация бумажной массы в напорном ящике составляет от 0,3 до 1,2%.
Для удаления воды под сеткой бумагоделательной машины имеются формовочные коробки, присоски, дренажные ленты. После частичного обезвоживания бумажной массы в ситовой части бумажная лента поступает в прессовую часть, где проходит обработку между набором роликов. В прессовой части масса дополнительно дезодорируется до уровня до 45%, структура ленты выравнивается и утолщается, поверхность ленты разглаживается.
После прессовой части бумажная лента поступает в сушильную часть, где перемещается на сушилках между нагретыми цилиндрами. В процессе сушки вода испаряется и между волокнами образуются связи. В результате сушки полотно для изготовления бумаги сжимается и гидрофобизируется.
Гидрофобизация в части сушки предполагает активацию клея, добавленного при проклейке или нанесение клея на поверхность бумажного полотна. Проклейка поверхности производится на клеильном прессе.
Для отделки бумажного полотна после процесса сушки можно направить полотно на каландры, которые дополнительно разглаживают поверхность бумаги, сатинируют ее, делают уплотненной и блестящей. После каландрирования бумажное полотно разрезается по ширине и формируется в барабан.
