На правах рукописи
ДУЛЬКИН Дмитрий Александрович
РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ
И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕХНОЛОГИИ БУМАГИ И КАРТОНА
ИЗ МАКУЛАТУРЫ
Специальность 05.21.03 – Технология и оборудование химической
переработки биомассы дерева; химия древесины
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Архангельск 2008
Работа выполнена на кафедре технологии целлюлозно-бумажного производства
ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет»
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Смолин Александр Семенович
доктор технических наук, профессор
Грунин Юрий Борисович
доктор химических наук
Демин Валерий Анатольевич
Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский
институт целлюлозно-бумажной промышленности»,
(ОАО ВНИИБ), Санкт-Петербург
Защита диссертации состоится « 14 » марта 2008 г., в часов, на заседании диссертационного совета Д212.008.02 в ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет» (163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
ГОУ ВПО «Архангельский государственный технический университет».
Автореферат разослан « » 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета, канд. хим. наук, доцент Скребец Т.Э.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В современной мировой индустрии бумаги и картона вторичное волокно из макулатуры, благодаря ряду неоспоримых преимуществ перед свежими волокнистыми полуфабрикатами из древесины, стало им конкурентоспособно по качеству и масштабам потребления. Относительное превалирование потребления вторичного волокна в качестве высокорентабельного альтернативного полуфабриката для развития производства бумаги и картона объективно относят к непревзойденному достижению второй половины ХХ в. Ожидается, что эта роль вторичного волокна в XXI в. будет только возрастать.
Очевидно, потенциальные объемы макулатурной массы находятся в прямой зависимости от объемов производства и потребления бумажно-картонной продукции. Основным фактором повышения выпуска и спроса на эту продукцию был и остается экономический рост. Предполагается, что спрос на бумагу и картон будет расти на 2,2 % в год и к 2015 г. составит порядка 435 млн т (рис. 1).
Рис. 1. Диаграмма спроса на бумагу и картон
Из диаграммы видно, что к рубежу XXI в. (итог 2000 г.) мировой объем производства бумаги и картона достиг 328 млн т. Он обеспечил рост ресурсов макулатуры до 230 … 260 млн т при ее сборе 150 млн т. К 2005 г. уровень сбора и потребления макулатуры уже превысил 180 млн т, к 2010 г. ожидается 200 … 210 млн т, а к 2015 г. вторичное волокно составит более 60 % от общей потребности 460 млн т/год волокна для бумаги и картона.
Ресурсы макулатуры, уровень ее сбора и потребления значительно отличаются по регионам мира и странам. Например, суммарные ресурсы макулатуры в России, установленные диссертационными исследованиями автора, составляют более 4,7 млн т, а уровень сбора и потребления – 1,3 … 1,5 млн т или 28 … 32 %.
Полученные данные говорят о сравнительно низком уровне сбора и потребления макулатуры отечественным макулатуроперерабатывающим сектором экономики – 28 … 32 % против 55 … 60 %, приходящихся на долю ведущих мировых переработчиков. Уровень потребления 28 … 30 % в мире был достигнут еще в 1985 г., т.е. отставание России не менее 20 лет. Однако с средины 1990 гг. и по настоящее время существенно преобразилось отечественное направление по переработке макулатуры. Общий объем использованной макулатуры за эти годы приблизился к 1,5 млн т/год.
Обобщение научных и практических аспектов направления по переработке макулатуры и собственный исследовательский опыт позволили автору положить в основу концептуальных идей диссертации характерную особенность вторичного волокна, полученного из любых марок макулатуры, – стабильно худшие с широким диапазоном вариации показатели бумагообразующих свойств по сравнению со свежими волокнистыми полуфабрикатами. Именно эта отрицательная особенность, прежде всего, очерчивает те проблемы и задачи, которые решались и решаются на всех этапах развития переработки макулатуры для производства конкретных видов бумаги и картона. Проблемы охватывают весь цикл оборота макулатуры, начиная со сбора и обеспечения качества макулатуры разных марок и кончая производством бумаги и картона с заданными потребительскими свойствами.
Указанная характерная особенность вторичного волокна предопределяет наличие центральной научно-практической проблемы переработки макулатуры – восстановление требуемого уровня бумагообразующих свойств вторичного волокна с максимально эффективным их проявлением при формировании структуры бумаги и картона.
Успешное решение проблемы, несомненно, требует как углубления и развития научных основ технологических процессов, так и новых эффективных решений в аппаратурном их осуществлении. Реальность такова, что только технологии, базирующиеся на постоянно обновляемых достижениях науки и техники, являются залогом экономической стабильности работы предприятий, гарантируют высокую рентабельность производства и конкурентоспособность продукции на мировом рынке.
Вышеизложенное убедительно свидетельствует о насущной актуальности фундаментальных и прикладных исследований в области переработки макулатуры. Настоящая диссертация посвящена развитию научных основ процессов технологии тарных и писче-печатных видов бумаги и картона из макулатуры. Совпадая с приоритетным мировым направлением в развитии индустрии бумаги, она актуальна, перспективна и полезна.
Актуальность и значимость диссертационных исследований подтверждается тем, что по данному направлению на период 2003–2006 гг. был утвержден инновационный проект государственного значения «Разработка и промышленное освоение технологии производства новых видов высококачественного картона с использованием вторичного волокна» (государственный контракт Минпромнауки РФ с ОАО ЦНИИБ по теме 02.190.11.005). Выполненные автором в рамках указанного проекта на базовом предприятии по производству и переработке бумаги «Караваево» (ОАО «Караваево») исследования, ставшие составной частью диссертации, внесли весомый вклад в научную и инновационную часть разработки.
Цель работы и задачи исследований.
Всесторонний анализ состояния и проблемных аспектов современного направления по переработке макулатуры в бумагу и картон позволил сформулировать цель диссертации:
– развитие научных основ восстановления бумагообразующих свойств вторичного волокна в процессах технологии высококачественных бумаги и картона на базе обобщения существующих теоретических представлений и новых экспериментальных данных;
– разработка научно обоснованной концепции прогрессивных технологий тест-лайнера, флютинга и писче-печатной бумаги из макулатуры.
Для достижения поставленной цели решался комплекс задач:
1. Исследование ресурсов наиболее востребованных марок макулатуры МС-1А, МС-2А, МС-5Б, МС-6Б и МС-7Б, анализ проблем качества вторичного волокна и выбор методов улучшения его качества.
2. Исследование взаимодействия вторичного волокна с водой и развитие теоретических основ восстановления его бумагообразующих свойств.
3. Исследование и совершенствование процесса разволокнения макулатуры с модернизацией используемого оборудования.
4. Разработка методики и прибора для контроля эффективности работы оборудования в технологическом потоке подготовки вторичного волокна к отливу на БДМ.
5. Оптимизация процесса фракционирования вторичного волокна.
6. Совершенствование процесса размола вторичного волокна.
7. Повышение эффективности облагораживания и отбелки вторичного волокна с помощью различных химических средств.
8. Исследование влияния новых вспомогательных химических веществ на качество бумаги и картона, вырабатываемых в нейтральной среде.
9. Анализ деформируемости и прочности тест- и крафт-лайнеров с целью повышения их качества.
10. Разработка инновационных технологий тест-лайнера, флютинга и писче-печатной бумаги для улучшения потребительских свойств.
11. Опытно-промышленные исследования с использованием полученных экспериментальных данных для повышения технико-экономических показателей производства.
Научная новизна.
Впервые в диссертации получены следующие результаты, составляющие научный вклад в технологию бумаги и картона из макулатуры:
– применен научно обоснованный подход к разработке и разработана концепция инновационных технологий бумаги и картона на основе вторичного волокна из макулатуры;
– установлены наилучшие параметры главных процессов технологии для придания заданных величин фундаментальных свойств вторичному волокну из макулатуры марок МС-1А, МС-2А, МС-5Б, МС-6Б и МС-7Б для производства бумаги и картона;
– обоснованы ежегодные ресурсы макулатуры в России и характеристики вторичного волокна, достаточные для объективной оценки его качества: ресурсы макулатуры – примерно, 4,7 млн т, включая 0,4 млн т белых марок (используемые – 1,5 млн т, потенциальные – 3,2 млн т);
– обоснован размол вторичного волокна с улучшением его бумагообразующих свойств;
– обоснованы высокоэффективное фракционирование макулатурной массы и центробежно-гидродинамический фракционатор, разработанный для осуществления процесса;
– разработаны метод, методика и прибор для контроля эффективности работы оборудования в технологическом потоке производства вторичного волокна;
– обосновано применение новых химических средств («Далкен С», полиокси-алюминийхлорид и модифицированные крахмалы) для производства бумаги и картона из вторичного волокна в нейтральной среде;
– получены новые данные об облагораживании вторичного волокна кавитационной обработкой, промывкой, пероксидными композициями с ферментами, флуоресцентными отбеливателями и дитионитом натрия;
– получены новые данные о роли деформационных и прочностных характеристик в обеспечении качества тест-лайнера из вторичного волокна.
Полученные теоретические результаты составляют научные основы производства высококачественного вторичного волокна из наиболее употребляемых марок макулатуры, а также широко применяемых и активно востребуемых бумаги и картона из него. Это тест-лайнер, флютинг и бумага для письма и печати.
Практическая значимость.
Практическая ценность диссертационных исследований заключается в следующем:
– разработана научно обоснованная концепция проектирования и организации технологических потоков производства главных видов бумаги и картона из вторичного волокна, тест-лайнера, флютинга и писче-печатных видов бумаги;
– разработаны и запатентованы 6 новых технических решений по конструкции турбосепаратора – машины для процесса окончательного роспуска и грубой очистки макулатурной массы;
– разработан и запатентован способ и машина (фракционатор) для фракционирования макулатурной массы;
– разработан и запатентован метод контроля эффективности работы основных технологических машин в производственном потоке получения вторичного волокнистого полуфабриката из макулатуры;
– разработана и запатентована композиция бумажной массы для изготовления бумаги;
– разработан стандарт предприятия «Прием и хранение макулатуры» СТП 10578065.11–2004;
– разработан проект новых отраслевых технических условий на бумагу для гофрирования и картон для плоских слоев, являющийся базой для создания единого всероссийского ГОСТа на тарный картон.
Апробация работы.
Основные положения диссертационных исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях:
– международная научная конференция «Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура» (Архангельск, 2000 г.);
– международная научно-техническая конференци «Малоотходные технологии переработки древесины и эффективное использование древесного сырья» (Москва, 2000 г.);
– всероссийская научная конференция «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2000 г.);
– международная научно-техническая конференция «Создание конкурентоспособного оборудования и технологий для изготовления бумажно-картонной продукции из волокнистого вторичного сырья» (Караваево–Правдинский, 2002 г.);
– международная научно-техническая конференция «Развитие ресурсосберегающих технологий производства бумаги и картона из волокнистого вторичного сырья» (Караваево, 2003 г.);
– международная научно-техническая конференция «Теория и технология бумажно-картонной продукции из волокнистого вторичного сырья» (Правда–Караваево, 2004 г.);
– международная научная конференция «Физикохимия лигнина» (Архангельск, 2005 г.);
– международная научно-техническая конференция «Технология переработки макулатуры» (Караваево–Правда, 2005 г.);
– международная научно-техническая конференция «Современные научные основы и инновационные технологии бумажно-картонных материалов с использованием вторичного волокна из макулатуры» (Караваево, 2006 г.);
– международная научно-техническая конференция «Теория и инновационные технологии бумажно-картонной продукции с использованием вторичного сырья» (Караваево, 2007 г.);
– III всероссийская научная конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2007 г.);
– международная научно-практическая конференция «Гофрокартон и картонная тара: настоящее и будущее» (Санкт-Петербург, 2005 г.);
– ХII международный симпозиум «Процессы в области целлюлозы, бумаги, картона и графики» (Златибор, Белград, 2006 г.).
Опытно-промышленные испытания и внедрение.
Результаты диссертационных исследований испытаны в промышленных условиях ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика», ООО «Сухонский целлюлозно-бумажный завод» и ОАО «Караваево». Результаты исследований подтверждены 11 актами (приложения 15 – 25 и 28).
Осуществлен первый этап внедрения в ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика». Реальный экономический эффект от внедрения результатов диссертации за период 1997–2006 гг. (первый этап освоения) составил 358,758 млн р., а ожидаемый экономический эффект по завершении проекта перевода ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика» на инновационную технологию в 2007–2015 гг., (второй этап освоения) – 286,099 млн р. (подтверждено актом внедрения (приложение 25). Общий экономический эффект – 644,857 млн р.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов.
Обоснованность и достоверность результатов работы и выводов по работе базируется на соответствующем уровне метрологического обеспечения исследований, применении современных методов исследований, методик, приборов и оборудования. Все работы, с испытаниями образцов бумаги, проводились в лаборатории, прошедшей аккредитацию. Методики выполнения измерений массовой доли волокна, степени помола волокнистой суспензии и длины волокна аттестованы. Обработка экспериментальных данных выполнялась с использованием общепринятых методов математической статистики.
Научные положения диссертации основываются на глубоком анализе теоретических работ по теме диссертации – в области подготовки макулатурной массы и исследования ее свойств.
Выводы по диссертации экспериментально подтверждены.
Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 70 научных трудах, включая 4 монографии («Современное состояние и перспективы использования вторичного волокна из макулатуры в мировой и отечественной индустрии бумаги», «Мировые тенденции в развитии техники и технологии переработки макулатуры», «Формирование свойств тест-лайнера в процессе производства», «Особенности технологии бумаги-основы для гофрирования из макулатуры и требования к ее потребительским свойствам») и 2 литературных обзорах. Получено 9 патентов на изобретение (6 патентов РФ и 3 патента Украины). В журналах, рекомендуемых ВАК РФ, опубликовано 17 научных трудов.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, десяти глав, основных выводов на 5 страницах, 28 приложений на 137 страницах, списка использованной литературы, включающего 339 наименований. Диссертация изложена на 352 страницах машинописного текста, включая 97 таблиц и 68 рисунков.
На защиту выносятся следующие новые или отличающиеся новизной теоретические и практические результаты.
1. Ресурсы макулатуры в России и их роль в решении проблем ресурсо- и энергосбережения и экологической безопасности.
2. Установлены оптимальные значения фундаментальных характеристик вторичного волокна из макулатуры марок МС-1А, МС-2А, МС-5Б/1,2,3, МС-6Б и МС-7Б. 3. Научная концепция восстановления бумагообразующих свойств вторичного волокна на основе развития теории «ороговение–водоудержание» волокна по Джайме.
4. Научно обоснованный подход к разработке концепции инновационных технологий бумаги и картона на основе вторичного волокна.
5. Модернизированные технологические схемы производства тест-лайнера, флютинга и писче-печатных видов бумаги из макулатуры.
6. Новые данные по интенсификации роспуска макулатуры с использованием химикатов.
7. Теоретическое обоснование параметров размола вторичного волокна для улучшения его качества.
8. Теоретическое обоснование высокоэффективного фракционирования макулатурной массы и центробежно-гидродинамический фракционатор, разработанный для этого процесса.
9. Метод, методика и прибор для контроля эффективности работы оборудования в технологическом потоке производства вторичного волокна.
10. Применение новых химических средств («Далкен С», полиоксиалюминийхлорид и модифицированные крахмалы) для производства бумаги и картона из вторичного волокна в нейтральной среде.
11. Новые данные по облагораживанию вторичного волокна кавитационной обработкой, применением промывки, пероксида натрия с ферментами, флуоресцентных отбеливателей и дитионита натрия.
12. Формирование деформационных и прочностных характеристик бумажно-картонных материалов из вторичного волокна.
Результаты диссертационной работы можно квалифицировать как решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение в области химической технологии бумаги и картона.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Глава 1. РЕСУРСЫ, КАЧЕСТВО И ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МАКУЛАТУРЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ И КАРТОНА
Макулатура является ежегодно возобновляемым и накапливаемым во всевозрастающих объемах источником ресурсо- и энергосберегающих волокнистых полуфабрикатов. Она используется для поддержания и развития производства наиболее массовых видов бумажно-картонной продукции: тароупаковочной, газетной, санитарно-бытовой, писче-печатной, строительной.
В РФ близкие к реальным общие ежегодные ресурсы макулатуры, установленные диссертационными исследованиями, составляют примерно 4,7 млн т, включая 0,4 млн т макулатуры белых марок (из них: используемые – 1,3 … 1,5 млн т, включая 0,15 … 0,2 млн т белых марок макулатуры для писче-печатных видов бумаги, потенциальные – 3,2 млн т, включая 0,2 млн т белых марок). Уровень сбора и потребления макулатуры составляет 28 … 32 %.
Основные ресурсы макулатуры сосредоточенные в наиболее промышленно развитых регионах (Центральный, Северо-Западный и Уральский) с ежегодным объемом сбора макулатуры более 1 млн т.
По мнению экспертов промышленно развитых стран, с точки зрения экономики, в настоящее время целесообразно перерабатывать до 65 % макулатурного сырья от потенциального объема макулатуры. В России эта цифра составляет около 28 … 32 %. Остальная макулатура, в основном в виде бытового мусора, попадает на свалку. Такое положение признается ненормальным и требует решения. Пути решения этой проблемы – налаживание сбора и первичной обработки макулатуры и освоение технологий ее эффективной промышленной переработки.
Характерная особенность российского направления по переработке макулатуры – доминирование тароупаковочных видов бумаги и картона. Поэтому, наиболее массово собираемыми марками макулатуры по всем регионам являются МС-5Б, МС-6Б, МС-7Б, МС-8Б, МС-1ЗБ (по ГОСТ 10700–97). По мнению зарубежных экспертов, российский рынок продукции из древесного сырья (бумага, картон и упаковка) – один из самых быстрорастущих в мире.
Следует указать, что одним из важных результатов диссертации, вытекающих из исследований этой главы, явилось установление преимущественно коротковолокнистого характера вторичного волокна из макулатуры и отрицательного влияния данного фактора на прочностные характеристики бумаги и картона. Эти исследования позволили разработать и предложить дополнительные требования к ГОСТ 10700–97, которые касаются группы «Б» и предусматривают нормы содержания первичного волокна в марках макулатуры этой группы (СТП 10578065.11–2004).
Исследованиями установлены наиболее востребованные марки макулатуры (МС-1А, МС-2А, МС-5Б, МС-6Б, МС-7Б), отличающиеся по композиции, фракционному составу и прочностным свойствам, и структура использования годового объема (1,5 млн т) макулатуры: 7 % – МС-1А и МС-2А; 15 % – МС-5Б, МС-6Б, МС-7Б; 78 % – смесь макулатуры всех марок.
В плане оценки главных элементов структуры – волокон по размерным характеристикам в диссертации выполнены исследования вторичного волокна на основе современного отечественного рынка макулатуры. Оценка качества вторичного волокна осуществлялась по степени помола и длине волокна, период наблюдений составил 4 … 6 мес. В табл. 1 представлены усредненные результаты выполненных исследований.
Таблица 1. Сравнительные данные длины волокна целлюлозы из древесины и волокна
из макулатуры, степени помола и рН макулатурной массы
| Показатель | Древесина | Макулатура | |||
| Сосна/ Ель | Береза/ Осина | МС-1А | МС-2А | МС-5Б/1, 2, 3 МС-7Б | |
| Средневзвешенная длина, мм | 2,2...3,0/ 2,3…2,5 | 1,15…1,2/ 1,1…0,73 | 1,5…1,3 | 1,3…1,1 | 1,9…1,1 |
| Степень помола, °ШР | 13…16 | 15…18 | 27…49 | 29…50 | 16…45 |
| рН | – | – | 7,5 … 10 | ||
Как видно из табл.1, усредненные значения длины волокна для макулатуры находятся в пределах значений, характерных для лиственных пород древесины. Это примерно в 2 раза меньше, чем у волокон хвойной древесины. Можно обоснованно утверждать, что укороченное практически в 2 раза вторичное волокно является одной из важнейших причин низкой механической прочности бумаги и картона из него.
Второй факт, который виден из данных табл. 1 – широкий интервал степени помола волокнистой массы: от 27 до 50 °ШР для волокон из белых марок макулатуры МС-1 и МС-2, от 16 до 45 °ШР – для волокон из марок МС-5Б и МС-7Б. Учитывая важность определения свойств волокна, обеспечиваемых процессом размола, было признано целесообразным включить в задачи диссертации исследование метода Джайме применительно к волокнам макулатурной массы.
Третьим достаточно информативным фактом табл. 1 является рН. Этот показатель характеризует активную кислотность водно-волокнистой суспензии вторичного волокна. Интервал 7,5 … 10,0 рН говорит о производстве бумаги и картона в слабощелочной среде.
В дополнение к характеристикам, приведенным в табл. 1, следует учитывать фракционный состав волокнистого полуфабриката, важность которого в технологии переработки макулатуры требует самостоятельного исследования.
В табл. 2 приводятся данные исследований фракционного состава вторичного волокна из макулатуры. На анализаторе «Kajani FS 100» в течение 2 мес. исследовалась бумажная масса из смеси макулатуры марок МС-5Б (30 %) и МС-6Б (70 %).
Как видно из табл. 2, волокнистому полуфабрикату из наиболее качественных марок макулатуры МС-5Б и МС-6Б, применяемому для производства тест-лайнера и флютинга, характерна полидисперсность длины волокна со значительным преобладанием короткого волокна. Фракция волокна длиной 1,6 … 2,0 мм, в пределы которой попадает более 80 % первичного волокна целлюлозы, для рассматриваемой композиции макулатурной массы составляет всего 2,70 … 8,71 %. Основная масса волокна характеризуется более короткой длиной и попадает в первые четыре фракции: 0,04 … 0,40 мм (10,61 … 51,55 %); 0,40 … 0,80 мм (17,6 … 20,61 %); 0,80 … 1,20 мм (13,45 … 20,53 %); 1,20 … 1,6 мм (5,54 … 13,79 %). Фракции с длиной волокна более 2,0 мм составляют до 10 %. Для двух композиций волокнистой массы из макулатуры марок МС-1А и МС-2А в соотношении 40/60 и 60/40 определенная по примененному методу средневзвешенная длина волокна оказалась равной примерно 1,65 мм.
Таблица 2. Фракционный состав волокнистого полуфабриката из смеси макулатуры марок МС-5Б (30 %) и МС-6Б (70 %)
| Масса образ- ца, г/м2 | Масса навес- ки, мг | Фракционный состав, %, при длине волокна, мм | ||||||||
| 0,04 …0,40 | >0,4 …0,80 | >0,8 …1,2 | >1,2 …1,6 | >1,6 …2.0 | >2,0 …2,4 | >2,4 …2,8 | >2,8 …3,2 | >3,2 …3,6 | ||
| 153 | 6,12 | 11,42 | 16,87 | 20,43 | 12,3 | 8,71 | 6,78 | 6,34 | 5,15 | 4,62 |
| 160 | 7,02 | 50,26 | 19,74 | 13,90 | 5,89 | 3,18 | 2,18 | 1,67 | 1,25 | 0,83 |
| 155 | 6,33 | 47,61 | 19,74 | 14,23 | 6,59 | 3,29 | 2,63 | 2,05 | 1,57 | 1,03 |
| 160 | 6,83 | 10,61 | 19,31 | 23,28 | 12,22 | 7,68 | 6,03 | 5,93 | 4,97 | 4,23 |
| 151 | 6,65 | 10,70 | 18,00 | 22,21 | 13,79 | 8,13 | 6,11 | 6,22 | 4,56 | 3,68 |
| 154 | 6,86 | 12,23 | 20,56 | 21,31 | 12,31 | 7,57 | 5,79 | 5,87 | 4,23 | 3,75 |
| 151 | 6,95 | 11,06 | 17,60 | 20,53 | 13,24 | 8,48 | 6,75 | 6,32 | 5,34 | 4,28 |
| 155 | 6,86 | 51,55 | 20,61 | 13,45 | 5,54 | 2,70 | 1,88 | 1,62 | 1,01 | 0,76 |
Исследования, результаты которых представлены в табл. 1 и 2, позволяют дать следующую характеристику вторичному волокну. Это высокополидисперсная волокнистая масса с подавляющим преобладанием фракций средней и короткой длины (длина примерно в 2 раза короче длины первичных волокон); высокой «кажущейся» степенью помола, для которой характерно образование листов бумаги и картона с низкими физико-механическими свойствами. Низкая механическая прочность обусловлена коротковолокнистым поверхностно слабо разработанным характером массы, не обеспечивающим достаточно интенсивной межволоконной связи.
Полученные данные о характере массы из вторичного волокна и его свойствах было важно оценить по критерию «критическая длина волокна». Являясь интегральной характеристикой, критическая длина волокна учитывает прочность отдельного волокна, его адгезионную способность, грубость и способность к уплотнению во влажном состоянии. Имея значительно меньшую, в сравнении с первичными волокнами, длину волокна, преобладание средне- и коротковолокнистых фракций и слабо развитую внешнюю и внутреннюю поверхность, вторичные волокнистые полуфабрикаты из разных марок макулатуры должны обнаруживать превалирование длины волокна, близкой или менее критической длины волокна. Сравнительно низкая механическая прочность бумажных и картонных листов из необработанных макулатурных волокон, особенно по сопротивлению продавливанию и сопротивлению разрыву, может служить тому подтверждением. Применяя различные методы обработки к макулатурному волокну, можно изменять механические и другие свойства бумажно-картонных материалов в широком диапазоне. Очевидно, что конкретные материалы будут характеризоваться присущими им деформационными и прочностными свойствами, а с помощью критической длины волокна можно эти свойства прогнозировать.
Следовательно, формула переработки макулатуры в волокнистые полуфабрикаты сводится к максимально возможному количественному выделению волокна из макулатуры с приданием ему свойств, приближенных к первичным полуфабрикатам.
Глава 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА С ВОДОЙ
И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
ЕГО БУМАГООБРЗУЮЩИХ СВОЙСТВ
Решение проблемы упрочнения и, как следствие, обеспечения производства продукции на основе вторичного волокна из макулатуры с требуемыми показателями физико-механических свойств, находится в области увеличения сил связи между волокнами. А эффективным способом разностороннего воздействия на свойства вторичного волокна являются гидратационные процессы в водно-волокнистых системах при разволокнении, фракционировании, размоле, химической активации и формировании листов бумаги и картона.
Определение степени помола волокнистой массы по методу Шоппер–Риглера основано на водоотдаче массы. Результаты измерений степени помола и средневзвешенной длины волокна, традиционно определяемых по этому методу, не дают объективной оценки готовности волокнистой массы и состояния технологических стадий процесса приготовления макулатурной массы для производства бумаги на бумагоделательных машинах (БДМ). Связано это с несовершенством показателя, характеризующего степень помола бумажной массы. Более информативным для решения поставленной задачи – объективной оценки качества и степени готовности бумажной массы для производства бумаги и картона – может быть водоудержание. Впервые этот показатель был предложен Джайме при изучении явления ороговения вторичного волокна. Он же ввел и термин «ороговение». По Джайме, этот показатель определяется по формуле, %:
Ороговение = [(WRV0 – WRV1)/ WRV0] · 100, (1)
где WRV0 – водоудержание первичного волокна; WRV1 – водоудержание вторичного волокна после роспуска (WRV – сокращение с нем. Wasserruckhalten-vermogen – водоудерживающая способность, или водоудержание).
Таким образом, характеристикой ороговения является относительное уменьшение водоудержания вторичного волокна по сравнению с водоудержанием первичного волокна, т.е. чем сильнее ороговение волокна, тем ниже его водоудержание.
Метод определения водоудержания по Джайме отличается высокой корреляцией зависимости водоудержания от способности волокна к взаимодействию с водой. Метод основан на определении массы прочносвязанной воды сушкой, после удаления свободной воды центрифугированием влажной отливки с силой 3000 g. Метод позволяет определить водоудержание массы и ее отдельных фракций, а также установить влияние отдельных фракций по длине волокна на основные бумагообразующие свойства составляемых композиций. Таким образом, используя ступенчатое фракционирование с помощью набора сит, можно определить водоудержание любой композиции массы. Имея эти характеристики качества волокнистого материала, можно прогнозировать ожидаемые прочностные и другие потребительские свойства конечной продукции. Полученная информация полезна и при принятии решения о режимах размола и сортирования макулатурной массы.
Исследованиями установлено, что необратимое снижение водоудержания волокна начинается с сухости 30 … 35 % и продолжается до 70 … 80 % в зависимости от степени помола массы. Усадка и ороговение достигают наибольших, а водоудержание наименьших значений при удалении из листа свободной и части адсорбированной влаги (сухость 80 … 88 %).
Резюмируя вышеизложенное, можно определенно подтвердить причину снижения бумагообразующих свойств первичных волокон – их ороговение при сушке бумаги. Поэтому силы связи между волокнами, сопротивления разрыву, излому, продавливанию и удлинение до разрыва бумаги из 100 % макулатуры, при прочих равных условиях, всегда существенно ниже соответствующих показателей бумаги из свежих волокон.
В целях получения новых данных о взаимосвязи водоудержания с главными свойствами волокнистых полуфабрикатов и адаптации этого показателя к действующему производству ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика» был проведен ряд экспериментов. Для исследований использовалась макулатура, характерная для условий этой фабрики (преимущественно запечатанные обрезки типографской бумаги и срывы); композиция – 40 % целлюлозы и 60 % макулатуры. Влияние мелкой фракции волокна на водоудержание композиции массы показано на рис. 2. Мелкую фракцию волокна, составляющую в волокнистой массе 27 % и имеющую WRV = 125 %, в дозированных количествах снова вводили в массу.
Полученная экспериментальная зависимость является достаточно обоснованной иллюстрацией водоудержания как характеристики свойств макулатурной массы.
Во-первых, зависимость WRV от содержания в массе коротковолокнистой фракции – прямолинейна, что позволяет легко прогнозировать WRV других композиций. Контрольный опыт подтвердил это. Во-вторых, она отражает значительное влияние содержания коротковолокнистой фракции на WRV. Масса из 100 % коротких волокон имеет WRV почти в два раза больше, чем исходная масса. Полученные данные подтверждают необходимость учета влияния коротковолокнистых фракций на водоудерживающие свойства при составлении композиций массы, так как от водоудержания массы в большой степени зависят следующие основные факторы технологии: размол и его режим; скорость обезвоживания массы на сетке БДМ, в прессовой и сушильной частях; анизотропия листа и его физико-механические показатели. Результаты исследований обосновывают важность включения фракционирования массы в технологическую схему производства.
Учитывая значимость размола для придания бумагообразующих свойств волокну, важно было оценить изменения надмолекулярной структуры в процессе размола ряда полуфабрикатов (целлюлоза сульфатная высокого выхода, целлюлоза нейтрально-сульфитная, целлюлоза сульфатная беленая лиственная – смесь березы и осины 1:1), которые составляют основу макулатурного сырья для исследуемых в диссертации тест-лайнера, флютинга и писче-печатной бумаги. Для этих целей применялся метод ИК-Фурье спектроскопии в диапазоне 400 … 3700 см-1 с разрешением 2 см-1 и числом усреднений 150 сканов, позволивший получить информацию о качественном и количественном изменении надмолекулярной структуры целлюлозы; качественном и количественном изменении содержания остаточного лигнина; изменении содержания остаточной прочносвязанной воды и ряда функциональных групп в образцах целлюлозы при размоле и сушке двумя методами (под вакуумом на листоотливном аппарате (ЛОА) и на электросушильной горке при температуре 135 °C).
Исследования позволили сравнить исследуемые волокнистые полуфабрикаты по следующим важным свойствам: способность к размолу, динамика водоудерживающей способности (WRV) и физико-механических свойств. По определению, WRV – характеристика относительного содержания прочносвязанной воды в волокнистом полуфабрикате. В то же время, прочносвязанная волокном вода является функцией его надмолекулярной структуры. Процесс размола затрагивает структуру макромолекул целлюлозы, что проявляется в изменении соотношения кристаллических и аморфных областей в пользу прироста последних. Эти изменения отражаются на содержании остаточной воды в целлюлозе и могут быть охарактеризованы показателем WRV.
Содержание прочносвязанной воды, или WRV, связано также со способностью волокна к внутреннему набуханию, а оно, в свою очередь, зависит от степени внутреннего фибриллирования волокна. Поскольку одним из положительных и желаемых проявлений размола является внутреннее фибриллирование волокна, а по существу изменение соотношения кристаллических и аморфных областей, то WRV является мерой этого изменения. Очевидно, что WRV различных волокнистых полуфабрикатов дает им относительную сравнительную оценку по уровню внутреннего набухания и фибриллирования. Большему WRV соответствует большее набухание и фибриллирование, и наоборот. Учитывая, что степень внутреннего набухания и фибриллирования волокна является одним из определяющих факторов межволоконного связеобразования и формирования структуры листа, WRV можно применить в качестве интегрального показателя оценки готовности волокнистой массы для изготовления бумаги и картона. В плане изучения возможности такого применения WRV представлялось важным найти зависимость между степенью помола волокнистого полуфабриката, WRV и изменениями надмолекулярной структуры, которые обусловливают уровень WRV.
Для этого применен метод ИК-Фурье спектроскопии. По значениям соответствующих спектральных параметров было установлено, что доля упорядоченных областей Ц Iуп в структуре волокна уменьшается с повышением степени помола массы. Прослеживается следующая закономерность изменения WRV волокна при размоле – с увеличением степени помола от 14,5 до 48,0 °ШР WRV повышается от 89,2 до 152,7 %. Таким образом, экспериментально подтверждается факт внутреннего фибриллирования волокна при размоле и увеличения гидрофильности и водоудержания волокна, характеризуемого WRV. Следствием этого является большой прирост показателей физико-механической прочности отливок бумаги. Так, увеличение степени помола от 14,5 до 48,0 °ШР обусловливает рост сопротивления расслаиванию от 35,0 до 234,5 кПа и абсолютного сопротивления продавливанию от 22,0 до 258,0 кПа.
Выполненные исследования позволили получить новые данные о поведении надмолекулярной структуры волокна в процессах размола. С одной стороны, они дополняют теорию размола, с другой – являются полезными для организации процесса размола волокнистых полуфабрикатов. По результатам серии исследований зависимости основных характеристик вторичного волокна (водоудержание, размеры и механическая прочность) от условий размола и степени помола массы, представленных на одной из диаграмм для случая с использованием технической воды (рис. 3), установлено следующее:
– имеет место корреляция показателей разрывной длины и водоудерживающей способности массы для всех исследованных вариантов;
– более четкая корреляция свойств полуфабрикатов прослеживается при использовании технической воды для приготовления массы;
– при использовании оборотной воды на разбавление взвешенные компоненты, содержащиеся в ней, оказывают влияние на водоудержание и разрывную длину в сторону завышения степени помола;
– по мере развития удельной поверхности волокон в процессе размола снижается скорость водоотдачи волокном, вызываемая повышенным водоудержанием массы; разница в показателях разрывной длины становится менее контрастной;
– WRV менее зависимо от условий приготовления волокнистой суспензии, т.е. позволяет более объективно оценивать бумагообразующие свойства волокнистой суспензии.
 | Рис. 3. Динамика свойств макулатурной массы на технической воде |
Данные исследования, объектом которых были вторичные волокна из макулатуры, подтверждают выводы о том, что водоудержание, или WRV, может быть использовано в научно-исследовательских и практических целях для более обоснованной оценки бумагообразующих свойств полуфабрикатов на всех стадиях приготовления бумажной массы.
Известно, что степень набухания вторичного волокна в воде является определяющим фактором восстановления его бумагообразующих свойств на этапе массоподготовки. Рассматривая процесс взаимодействия вторичного волокна с водой, проявляемый явлениями смачивания, пропитки, гидратации и набухания, следует обратить внимание на следующие проблемы:
– замедленная скорость взаимодействия волокна с водой во всех перечисленных явлениях, выражаемая в технологии термином «продолжительность массоподготовки»;
– достижение предельного взаимодействия волокна с водой, определяемого достигнутыми бумагообразующими свойствами для обеспечения заданного качества бумажно-картонной продукции.
Обе проблемы являются, прежде всего, функцией ороговения волокна, а их решение должно быть осуществлено в основных процессах технологии подготовки массы и отлива бумаги и картона из вторичного волокна.
Ниже представлены результаты исследований влияния набухания на способность вторичного волокна к размолу и обезвоживанию. В первой серии экспериментов задачей было нахождение оптимальной продолжительности взаимодействия вторичного волокна с водой. На рис. 4 представлены графики, отражающие зависимость способности вторичного волокна к размолу от продолжительности набухания. Из них следует, чем продолжительнее контакт вторичного волокна с водой, тем легче оно размалывается.
Так, набухание в течение 75 мин (кривая 4), приводит к возрастанию степени помола вторичного волокна на 12 °ШР за 30 мин, а увеличение продолжительности размола до 40 мин дает разницу в степени помола уже в 18 °ШР. Установленное увеличение степени помола является очень значительным.
|
Однако, сочетание производственных факторов предполагает ограничение контакта вторичного волокна с водой и, следуя закономерностям рис. 4, можно определиться с продолжительностью взаимодействия волокна с водой еще до процесса размола – 75 мин.
Существенно важным является фактор скорости обезвоживания волокнистой массы на сетке БДМ или КДМ. Результаты исследований представлены на рис. 5.
 | Рис. 5. Влияние продолжительности набухания на способность вторичного волокна к обезвоживанию (см. обозначения на рис. 4) |
Из рис. 5 видно, что набухание волокна в воде очень сильно влияет на обезвоживание вторичного волокна. Например, при степени помола 45 °ШР, которая может наблюдаться в конкретном производстве, способность к обезвоживанию изменяется практически в два раза. При этом отдача воды на сетке КДМ затрудняется так, что необходимо осуществлять корректировку технологического регламента тест-лайнера.
На рис. 6 представлена зависимость свойств вторичного волокна от фундаментальных характеристик волокна, которая отражает значительное влияние набухания. Если сопоставить продолжительность набухания и свойства волокна, то видно, что наиболее благоприятному сочетанию четырех параметров волокна соответствует продолжительность набухания 50 мин. Отсюда, вытекает важный факт – продолжительность набухания вторичного волокна из макулатуры рассматриваемых марок для производства тест-лайнера и флютинга должна находиться в пределах 30 … 75 мин.
| Рис. 6. Влияние продолжительности набухания на свойства вторичных волокон: 1 – сила межволоконных связей Fсв; 2 – нулевая разрывная длина L0; 3 – средняя длина волокна lср; 4 – критическая длина волокна Lкр |  |
Наиболее вероятным объяснением характера полученных зависимостей может быть следующее. Ухудшение фундаментальных характеристик волокна с увеличением продолжительности набухания связывается с ростом слоев гидратационной воды на поверхности волокна и между внутриволоконными элементами структуры (фибриллами и микрофибриллами). А это уменьшает силы межволоконных Fсв и внутриволоконных связей, обусловливающих снижение собственной прочности волокна L0 и рост критической длины волокна Lкр. Напротив, недостаточный контакт волокна с водой (менее 30 … 75 мин) также обусловливает недостаточное развитие прочностных характеристик волокна. Но, это связано с подробно рассмотренным ранее явлением «ороговения» волокна.
Далее представлялось целесообразным выяснить связь между продолжительностью набухания и качеством готовой продукции из набухших волокон, характеризуемой следующими стандартными показателями: – толщина образца; Р – разрушающее усилие; П – сопротивление продавливанию; RCT – разрушающее усилие при сжатии кольца; SCT – сопротивление сжатию короткого участка образца вдоль плоскости. Экспериментальные данные для лабораторных образцов тест-лайнера представлены в табл. 3.
Таблица 3. Влияние продолжительности набухания вторичных волокон
на стандартные характеристики качества тест-лайнера
| Продолжительность набухания, мин | , мкм | P, Н | П, кПа | RCT, Н | SCT, кН/м |
| 8 | 329 | 81,69 | 342,8 | 188,5 | 3,22 |
| 30 | 272 | 78,03 | 337,0 | 209,0 | 3,35 |
| 50 | 281 | 110,84 | 446,8 | 272,3 | 3,96 |
| 75 | 308 | 117,69 | 391,2 | 267,0 | 3,98 |
| 100 | 291 | 101,73 | 427,3 | 298,0 | 3,93 |
Важнейшие потребительские свойства (сопротивления продавливанию и сжатию короткого участка в плоскости листа) достигают максимальной величины в случае взаимодействия с водой в течение 50 мин. Сопротивление сжатию кольца возрастает во всем исследованном интервале времени набухания вторичного волокна, однако в первые 75 мин величина RCT возрастает на 45 %, а в последующие 50 мин – только на 18 %, т.е., имеет место замедление прироста показателя.
Полученные данные о физико-механических свойствах картона из вторичного волокна подтверждают установленную выше закономерность о существовании интервала времени набухания волокна, в котором волокна проявляют наиболее благоприятные для образования максимально прочной структуры картона бумагообразующие свойства. Интервал предварительного взаимодействия волокна с водой, в котором получен картон лучшего качества, составляет 30 … 50 мин.
Основные положения научной концепция восстановления
бумагообразующих свойств вторичного волокна
на основе гидратационных явлений в водно-волокнистых системах
Анализ литературных данных и результатов собственных исследований, изложенных в главах 1 и 2, позволяет сформулировать обобщенные теоретические положения восстановления бумагообразующих свойств вторичного волокна.
1. Мерой потери бумагообразующих свойств вторичного волокна из макулатуры по сравнению с первичными волокнистыми полуфабрикатами является степень ороговения волокна в предыдущих технологических циклах переработки.
2. Ороговение повышает жесткость и хрупкость волокна; ухудшает способность волокна к взаимодействию с водой; снижает способность волокна к фибриллированию в процессе размола с превалированием нежелательного процесса рубки волокна.
3. Предел обратимости ороговения, или предел восстановления бумагообразующих свойств волокна, определяется глубиной развития гидратационных эффектов при активирующем воздействии гидродинамических, физико-химических и химических процессов в технологии (роспуск, размол, набухание, фракционирование, очистка, добавка химикатов, воздействие температуры и др.)
4. Чем больше предел обратимости, тем качественнее вторичное волокно, оцениваемое по фундаментальным свойствам, и прочнее бумага и картон, оцениваемые стандартными показателями.
5. Интегрированной количественной характеристикой степени ороговения является относительное уменьшение водоудержания волокна (WRV волокна). Чем сильнее ороговение, тем меньше водоудержание волокна.
6. Водоудержание волокна является функцией надмолекулярной структуры волокна, а именно: соотношения кристаллических и аморфных участков. Изменение этого соотношения в сторону увеличения аморфной составляющей сопровождается повышением водоудержания волокна, и наоборот.
7. Аморфизация надмолекулярной структуры волокна происходит в процессе размола. Следовательно, с помощью режимных параметров размола можно управлять аморфизацией волокна, т.е. его водоудержанием.
8. В примерно адекватных условиях размола аморфизация вторичного волокна протекает менее интенсивно. WRV вторичного волокна оказывается примерно на 10 % меньше WRV первичных волокнистых полуфабрикатов, что вызывает снижение прочности на 20 %.
9. Увеличение аморфизации и связанный с ним рост водоудержания, обусловливает внутреннее фибриллирование волокна, его набухание и, как следствие, повышаются гибкость, эластичность и сжимаемость. Внутри структуры волокна и на его поверхности увеличивается количество свободных и легко доступных гидроксильных групп, способных к межволоконному связеобразованию.
10. Являясь мерой степени внутреннего набухания и фибриллирования волокна, которые относятся к определяющим факторам межволоконного связеобразования и формирования структуры листа, WRV волокна может служить в качестве интегрального показателя готовности волокнистой массы для изготовления бумаги и картона.
Изложенные обобщенные теоретические положения составляют научные основы восстановления бумагообразующих свойств вторичного волокна в основных технологических процессах массоподготовки и изготовления бумаги или картона на машине. Научные положения далее применены для выявления наилучших режимных параметров разволокнения макулатуры, фракционирования волокна и его размола, облагораживания и проклейки волокна из макулатуры, формования структурных и механических свойств бумаги и картона. Изложенные научные положения использованы ниже, в соответствующих главах диссертации.
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА
РАЗВОЛОКНЕНИЯ МАКУЛАТУРЫ
Разволокнение макулатуры является сложным процессом взаимодействия воды с бумагой, картоном и волокном. Результатом является получение водно-волокнистой суспензии с определенной степенью роспуска листов на волокнистые фрагменты (лепестки, пучки волокон, волокна, фрагменты волокон).
Степень роспуска макулатуры на структурные элементы – волокна является многофакторной функцией и, прежде всего, определяется составом и свойствами макулатуры, конструктивными особенностями гидроразбивателей, системой и режимом разволокнения, применением интенсифицирующих факторов.
Важным интенсифицирующим фактором разволокнения является применение ПАВ. Исследовали влияние ПАВ СЛ-98 в количестве 0,5 кг/т макулатуры, добавка которого позволила получить двойной эффект: ускорение процесса и увеличение степени разволокнения макулатуры; ускорение размола и улучшение качества волокнистой массы после размола.
Взаимодействие воды с волокном в процессах роспуска макулатуры и размола волокна в присутствии ПАВ СЛ-98 повышает водоудержание (WRV волокна). Иными словами, ПАВ аналогично размолу снижает степень ороговения волокна. Таким образом, используя ПАВ, можно снижать степень помола массы или сокращать продолжительность размола до требуемой степени помола, экономя электроэнергию.
Процесс разволокнения макулатуры целесообразно осуществлять в две стадии – собственно разволокнение макулатуры в традиционных гидроразбивателях и доразволокнение (доволокнение) полученной массы в специальных гидродинамических сортирующих машинах.
Выполнены экспериментальные исследования по разработке метода и методики контроля эффективности работы оборудования массоподготовительного отдела. В основу метода было положено сепарирование массы с помощью набора калиброванных сит. Изобретение направлено на повышение точности и надежности анализа эффективности работы оборудования в технологическом потоке. Предложена конструкция прибора, в котором осуществляется принцип сепарирования массы на фракции с помощью ситовых элементов. Прибор позволяет определять эффективность работы отдельных единиц оборудования массоподготовительного отдела. Особенно такой контроль необходим при подготовке макулатурной массы.
С помощью прибора можно экспериментально оптимизировать режимы работы технологического оборудования; с определенной периодичностью контролировать эффективность его работы; оптимизировать размеры отверстий сит сортирующих машин и технологические схемы грубого и тонкого сортирования волокнистой массы; определять качество полученной волокнистой массы по фракционному составу. Следует указать, что с даты получения патента (2004 г.) прибор освоен и используется на ряде предприятий, включая ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика», ООО «Сухонский ЦБК» и ОАО «Караваево».
Обобщенные результаты исследований сводятся к следующему:
– вторая стадия процесса разволокнения макулатуры в воде – доволокнение массы – предопределяет развитие бумагообразующих свойств волокна; повышается качество массы по степени разволокнения, степени очистки от тяжелых и легких включений, степени помола и гидратации;
– наиболее эффективно улучшаются перечисленные выше показатели качества массы при доволокнении ее в сортирующих турбосепараторах;
– выполнена серия экспериментальных и конструкторских работ по модернизации турбосепаратора – создано 4 модификации турбосепараторов, позволяющих существенно улучшить гидродинамическую эффективность обработки в них вторичного волокна; в результате достигнуто существенное улучшение показателей качества массы (прирост степени помола массы – до 7 %, повышение степени роспуска – до 15 %, снижение массовой доли загрязняющих включений – до 17 %, снижение массовой доли крупных включений волокнистого происхождения – до 65 %) и уменьшен удельный расход электроэнергии в 1,5 раза.
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО
ВОЛОКНА И РАЗРАБОТКА ФРАКЦИОНАТОРА
Главным проблемным аспектом переработки макулатуры постоянно было и остается качество получаемого вторичного волокна. Из ряда основных способов улучшения качества волокна, таких как, термодисперсионная обработка макулатурной массы, применение химических средств, использование щадящих режимов гидромеханической обработки и фракционирование волокнистой массы, большое внимание уделяется последнему.
В целях повышения степени восстановления бумагообразующих свойств вторичного волокна, совершенствования технологического процесса массоподготовки и улучшения технико-экономических показателей работы производства были поведены исследования фракционирования макулатурной массы по двум вариантам: в цетробежно-гидродинамическом фракционаторе и в фракционаторе на базе напорной сортировки.
При анализе работы центробежно-гидродинамических фракционаторов установлено, что их работа может быть существенно улучшена за счет изменения гидродинамики подачи водно-волокнистой суспензии в батарею очистителей массы. В основу процесса создания нового фракционатора был положен принцип «ламинизирования –дефлоккулирования» потока массы перед входом в центриклинеры. Были разработаны основы метода фракционирования и конструкция фракционатора. Получен патент на способ центробежно-гидродинамической обработки волокнистой суспензии и конструкцию установки вихревых конических очистителей для его осуществления. Изобретение направлено на повышение качества разделения волокнистого материала на коротко- и длинноволокнистую фракции. Предложенное техническое решение заключается в обеспечении дефлокуляции и ламинизирования потока волокнистой массы перед подачей в установку, подаче массы в определенную зону вихревых конических очистителей и их радиальном расположении в установке.
Опытная установка испытывалась в ОАО «Караваево». При испытании установки фракционированию подвергалась бумажная масса из смеси макулатуры марок МС-5Б (30 %) и МС-6Б (70 %). Фракционирование осуществлялось в одну ступень. Макулатурная масса разделялась на две фракции – коротко- и длинноволокнистую. Так как фундаментальные свойства являются основополагающим фактором качества бумаги и картона, то представлялось важным выяснить влияние на них фракционирования массы. Полученные данные по качеству волокна приведены в табл. 4.
Из табл. 4 видно, что с увеличением относительного содержания фракций, во-первых, средняя длина длинноволокнистой фракции снижается, коротковолокнистой – возрастает (изменения составляют примерно 7 %); во-вторых, межволоконные силы связи возрастают у коротковолокнистой фракции и снижаются у длинноволокнистой в 2 раза; в-третьих, собственная прочность волокон снижается примерно на 10 %; в-четвертых, критическая длина у длинноволокнистой фракции возрастает, а у коротковолокнистой фракции снижается.
Резюмируя вышеизложенное, можно констатировать, что ламинизированный поток массы, поступающий в очистители, обеспечивает эффективное разделение массы на коротко- и длинноволокнистую фракции. Качество разделения увеличивается в 2,7–3,0 раза по сравнению с фракционаторами подобного типа. Также повышается в 1,2–1,3 раза эффективность окончательной тонкой очистки коротковолокнистой фракции от загрязняющих включений с не меньшей, чем у волокна, плотностью. Затраты электроэнергии сокращаются в 1,5 раза. Исследования фракционирования массы в производственных условиях подтвердили возможность эффективного фракционирования вторичного волокна в центробежно-гидродинамических фракционаторах.
Исследования фракционирования вторичного волокна в напорных сортировках проводились в лабораторных и промышленных условиях двух предприятий ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика» и ООО «Сухонский ЦБК». В качестве фракционаторов использовались напорные сортировки СНС-05-50, модернизированные под выполнение функций фракционатора. Массовая доля волокна, проходящая через сито с определенным диаметром отверстий, отнесена к коротковолокнистой фракции, остаток на сите – длинноволокнистая фракция. В ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика» фракционированию подвергалась наиболее сложная для переработки (с точки зрения качества получаемого волокна и его выхода) бытовая макулатура. Диаметр отверстий сит сортировки 1,8 мм.
Таблица 4. Влияние фракционирования на фундаментальные свойства волокна
| Номер образца | Волокнистый материал | Относительное содержание фракций, % | Fсв, МПа | L0, км | lср, мм | lкр, мм |
| 1 | Исходная макулатурная масса Длинноволокнистая фракция Коротковолокнистая фракция | 100 57 43 | 0,708 0,563 0,947 | 9,52 8,55 10,22 | 1,76 1,82 1,38 | 2,59 2,37 1,60 |
| 2 | Исходная макулатурная масса Длинноволокнистая фракция Коротковолокнистая фракция | 100 66 34 | 0,890 0,640 1,042 | 9,39 9,54 9,46 | 1,74 2,23 1,30 | 1,83 2,57 1,43 |
| 3 | Исходная макулатурная масса Длинноволокнистая фракция Коротковолокнистая фракция | 100 60 40 | 1,202 1,006 0,997 | 7,29 9,72 8,75 | 1,80 2,08 1,53 | 0,99 1,14 1,40 |
| 5 | Исходная макулатурная масса Длинноволокнистая фракция Коротковолокнистая фракция | 100 56 44 | 1,270 0,783 1,088 | 10,42 11,01 10,39 | 1,76 2,15 1,52 | 1,23 1,86 1,38 |
| Окончание табл. 4 | ||||||
| Номер образца | Волокнистый материал | Относительное содержание фракций, % | Fсв, МПа | L0, км | lср, мм | lкр, мм |
| 6 | Исходная макулатурная масса Длинноволокнистая фракция Коротковолокнистая фракция | 100 58 42 | 0,934 1,337 1,637 | 9,59 9,83 10,10 | 1,76 2,11 1,34 | 1,33 1,09 0,95 |
| 7 | Исходная макулатурная масса Длинноволокнистая фракция Коротковолокнистая фракция | 100 61 39 | 1,429 1,473 1,398 | 9,53 9,48 10,92 | 1,75 2,19 1,51 | 0,95 1,04 1,22 |
| 8 | Исходная макулатурная масса Длинноволокнистая фракция Коротковолокнистая фракция | 100 78 22 | 0,890 0,774 0,639 | 9,39 9,32 9,87 | 1,74 2,09 1,50 | 1,83 1,59 1,94 |
| 9 | Исходная макулатурная масса Длинноволокнистая фракция Коротковолокнистая фракция | 100 52 48 | 1,202 1,250 0,802 | 7,29 9,29 9,84 | 1,80 2,09 1,48 | 0,99 1,30 1,68 |
| 10 | Исходная макулатурная масса Длинноволокнистая фракция Коротковолокнистая фракция | 100 76 24 | 0,890 0,680 0,590 | 9,39 9,24 9,80 | 1,74 1,78 1,49 | 1,83 1,37 1,71 |
Характеристика исходной и разделенной на фракции волокнистой массы представлена в табл. 5. Волокнистую массу разделяли на две фракции: коротковолокнистую – 30 % и длинноволокнистую – 70 %.
При исследовании способности к размолу коротко- и длинноволокнистой фракций были выявлены закономерности, не противоречащие общеизвестному влиянию степени помола на основные показатели физико-механических свойств волокнистой массы. Это справедливо и для длинно- и коротковолокнистой фракций вторичного волокна. Однако, следует отметить и существенные отличия показателей этих фракций: при одинаковых степенях помола значительно большие абсолютные значения показателей имеют длинноволокнистые фракции по сравнению с коротковолокнистыми; в пределах одинаковых фракций существенно влияет степень помола на сопротивление излому и сопротивление продавливанию при почти отсутствии влияния на разрушающее усилие при сжатии кольца и сопротивление разрыву.
Таблица 5. Характеристика исходной и разделенной на фракции волокнистой массы
| Волокнистый материал | Концентрация массы, % | Степень помола, °ШР | Средняя длина волокна по Иванову, дг (мм) | Доля фракций, % (по массе) |
| Масса перед сортировкой | 3,1 | 31 | 118 (2,25) | 100,0 |
| Коротковолокнистая фракция (масса, про- шедшая через сито) | 1,5 | 31 | 89 (1,90) | 33,1 |
| Длинноволокнистая фракция (масса, не про- шедшая через сито) | 2,4 | 21 | 185 (2,75) | 66,9 |
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ПРОЦЕССА РАЗМОЛА ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА
Размол волокнистых полуфабрикатов – это высокоэффективный способ направленного регулирования бумагообразующих свойств волокна, который заключается в механогидродинамической обработке. Процесс характеризуется двумя основными явлениями: изменение структурно-размерных характеристик волокна; фибриллирование и гидратация.
Исследование сравнительной эффективности размола вторичного волокна для тест-лайнера и флютинга в машинах с различной размалывающей гарнитурой имело цель обосновать применение соответствующих машин для максимально возможного развития потенциала бумагообразующих свойств вторичного волокна. Размолу подвергалась масса из макулатуры марки МС-5Б в дисковой (МД-14), конической (МКЛ-03) и гидродинамической (энтштиппирующей) (ММГ-03) мельницах и домолотой после пропуска через ММГ-03 на лабораторной мельнице (ЛКР). Зависимость степени помола и средней длины волокна от условий размола, а также потребляемая мощность мельниц представлены в табл. 6.
Таблица 6. Влияние условий размола на степень помола и среднюю длину волокна
| Номер пробы | Место отбора | Характеристика суспензии | Потребляемая мощность, кВт | |
| Степень помола, ШР | Средняя длина волокна по Иванову, мм | |||
| 1 | До МД-14 | 16 | 1,30 | 110 |
| 2 | После МД-14 | 18 | 1,28 | |
| 3 | До МКЛ-03 | 24 | 1,41 | 140 |
| 4 | После МКЛ-03 | 25 | 1,40 | |
| 5 | До ММГ-03 | 23 | 1,50 | 120 |
| 6 | После ММГ-03 | 25 | 1,50 | |
| 7 | То же с размолом до 32 °ШР | 32 | 1,30 | |
| 8 | « до 35 °ШР | 35 | 1,19 | |
| 9 | « до 39 °ШР | 39 | 1,04 | |
| 10 | « до 46 °ШР | 46 | 1,05 | |
