Использование вторичного сырья при комплексной переработке древесины Методические указания

Рассмотрено и рекомендовано к изданию методической комиссией центра повышения квалификации факультета и переподготовки кадров Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С.М.Кирова

декабря 2011 г.

Отв. редактор

доктор технических наук, профессор В.И. Патякин

С о с т а в и т е л и :

кандидат технических наук профессор В.А. Кацадзе кандидат технических наук, доцент О. П. Ковалева кандидат технических наук, доцент Ю. А. Бобров

УДК 676. 1.

Кацадзе В.А,. Ковалева О.П., Бобров Ю.А. Использование вторичного сырья при комплексной переработке древесины: Методические указания. СПб.:

СПбГЛТУ, 2012. 24 с.

Методические указания предназначены для бакалавров и магистров направления 250401 "Лесоинженерное дело", 240100 "Химическая технология" и 241000 "Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии". Представленные методики могут быть использованы студентами при курсовом и дипломном проектировании технологической линии переработки макулатурного сырья с целью получения вторичного волокнистого полуфабриката для производства различных видов бумаги и картона, а также слушателями центра повышения квалификации при выполнении выпускной квалификационной работы

Даны технологические расчеты производства макулатурной массы, приведен расчет баланса воды и волокна. Представлены рекомендации по подбору основного и вспомогательного оборудования линии переработки макулатуры.

Табл. Ил.

2

Введение

Мировая целлюлозно-бумажная промышленность активно развивается. Совершенствование оборудования для осуществления процессов получения волокнистых полуфабрикатов и производства бумаги и картона, использование новых химических реагентов, снижение водо- и энергопотребления, сокращение объемов сточных вод, выбросов в атмосферу и твердых отходов – все это характерные признаки современного предприятия.

Основными тенденциями развития мировой целлюлозной промышленности в настоящее время являются [1]:

широкое внедрение ресурсо- и энергосберегающих, а также природоохранных технологий;

максимальное использование вторичного волокнистого сырья – макулатуры;

комплексный подход к химической переработке растительного сырья. Мировое сообщество обеспокоено проблемой использования лесных

ресурсов по ряду причин:

в умеренной и холодной зонах идет интенсивная смена пород с увеличением доли лиственных, которые на вырубленных площадях при естественном возобновлении быстрее восстанавливаются и подавляют рост хвойных пород;

значительный урон лесонасаждениям наносят пожары и вредители леса;

проводится интенсивная вырубка тропических лесов, что вызвано быстрым ростом численности населения в этих регионах и необходимостью увеличения площадей для сельского хозяйства;

объемы потребления древесного сырья и продуктов его переработки увеличиваются быстрыми темпами, особенно в развивающихся странах.

Вразвитых странах Европы и Северной Америки отмечается снижение объема производства волокнистых полуфабрикатов, в основном за счет широкого использования вторичного сырья - макулатуры. Использование макулатуры для производства бумаги и картона в мировой ЦБП достигло 54%, что определилось двумя факторами: необходимость экономии первичного волокна и решения экологических проблем утилизации использованных бумаги, картона и изделий из них.

1. Использование вторичного сырья при комплексной переработке древесины

Вторичное волокнистое сырье – макулатура представляет собой бывшие в употреблении изделия или печатную продукцию из бумаги и картона, а также отходы их производства и переработки.

Уровень использования макулатуры оценивают по двум показателям: степень возврата – доля собираемой макулатуры от объема потребляемой бумаги и картона; степень использования – доля макулатуры в общем объеме

3

волокнистых полуфабрикатов, используемых для производства бумаги и картона.

Наибольшая степень возврата и использования макулатуры характерна для развитых стран с развитой ЦБП и высоким уровнем потребления бумаги и картона, таких как США, Германия, Япония, Индонезия и др.

Макулатура по праву считается основным сырьем бумажной промышленности в ХХI веке. В России и других странах СНГ макулатура, в зависимости от композиционного состава, цвета и степени загрязнения, подразделяется на марки, представленные в Международном стандарте (ГОСТ 10700-97), который предусматривает три группы качества и 13 марок макулатуры.

Первая группа А – высокого качества, включает марки МС-1А, МС-2А,

МС-3А и МС-4А. Это отходы производства всех видов бумаги (кроме газетной), а также использованные невлагопрочные, неармированные бумажные мешки

(МС-4).

Вторая группа Б – среднего качества, включает марки МС-5Б, МС-6Б,

МС-7Б. Это отходы производства и потребления бумаги и картона (кроме электроизоляционного, кровельного и обувного картона) чистые и с печатью, а также использованная продукция полиграфической промышленности (кроме газет), изданная на белой бумаги (без переплетов, обложек и корешков).

Третья группа В – низкого качества, включает марки от МС-8В до МС13В. Это отходы производства и потребления газетной бумаги, гильзы, шпули, втулки, литые изделия, бумага и картон с покрытиями и пропиткой темных цветов, а также светочувствительная и запечатанная на аппаратах множительной техники бумага.

Принято различные виды целлюлозы и механической древесной массы (МДМ) относить к первичным или «свежим» полуфабрикатам, а макулатурную массу – к вторичным.

Макулатура не является неисчерпаемым источником сырья. Объемы сбора можно увеличить за счет расширения сбора бытовой макулатуры. Теоретически максимальный уровень сбора макулатуры равен 80%, практически он достигает 70% - Австрия и Германия приближаются к данному уровню. Уровень использования макулатуры в производстве бумаги и картона растет на 6% в год

[2].

Вторичные волокна по своим физико-химическим и морфологическим свойствам значительно отличаются от волокон первичных полуфабрикатов, характеризуется повышенной сорностью и ороговевшим состоянием поверхности, обусловленным сушкой бумаги и картона.

Состав макулатурного сырья [3]:

-волокна различных видов (лиственной и хвойной древесины, однолетних растений), полученные механическим и/или химическим способами, прошедшие разные способы обработки (варку, отбелку, размол, сортирование) и отличающиеся по свойствам;

4

-костра – мелкие пучки волокон, не разделившиеся в процессе производства волокнистых полуфабрикатов;

-фрагменты неразволокненной и/или влагопрочной макулатуры;

-наполнители и частицы меловальных покрытий, присутствующие в макулатуре из писче-печатных видов бумаги;

-липкие включения, вызывающие наибольшие затруднения в процессе производства бумаги и картона из макулатуры и разделяемые на виды: первичные (горячие расплавы и адгезивные вещества), проявляющие липкие свойства при комнатной температуре и/или под давлением, которые также делятся на макрочастицы размером более 100мкм и микрочастицы – от 1 до 100 мкм; вторичные или коллоидальные липкие вещества размером частиц менее 1 мкм, проявляющие свои липкие свойства при дестабилизирующих явлениях, способствующих образованию липких отложений;

-прочие посторонние включения: металлические, минеральные и т.п.

Внастоящее время ММ в значительных количествах или полностью заменила различные виды первичных полуфабрикатов в композиции бумаги для гофрирования, бумаги санитарно-бытового назначения (СББ), писче-печатных видов бумаги, в т.ч. газетной. Некоторые виды бумажно-картонной продукции изготовляют из 100% ММ: газетную, СББ и упаковочные виды бумаги и картона.

Известно, что показатели механической прочности и свойства получаемой бумаги зависят от вида исходных волокон и способа их обработки в процессе производства. Значительное влияние на свойства волокон оказывает их размол и сушка, при которых происходят необратимые изменения: потеря эластичности, пониженная способность к набуханию, ороговение поверхности и увеличение хрупкости. Снижение основных показателей механической прочности бумаги происходит при использовании для ее изготовления ММ, содержащей минеральные наполнители, МДМ и лиственную целлюлозу [2].

Низкие показатели механической прочности ММ также могут быть обусловлены наличием мелких волокон и обрывков волокон. При сушке на БДМ между микрофибриллами возникают связи, которые не разрушаются при разволокнении бумаги в процессе переработки макулатуры. Повторно используемые волокна становятся жесткими, плохо набухают при подготовке волокнистого полуфабриката для производства бумаги, что приводит к уменьшению межволоконных сил связи и понижению показателей механической прочности бумажного полотна [2].

Переработка макулатуры в волокнистый полуфабрикат – ММ – сложный технологический процесс, состоящий из ряда последовательных операций: разволокнения, грубой и тонкой очистки, грубого и тонкого сортирования, дополнительного размола; а при получении высококачественной ММ – также сгущения, диспергирования, удаления печатной краски флотацией или промывкой и отбелки. Совокупность операций диспергирования, удаления печатной краски и отбелки принято называть облагораживанием ММ, а полученный полуфабрикат – облагороженной ММ (ОММ).

5

Основные операции технологической схемы переработки макулатуры и их назначение [4]:

-разволокнение макулатуры для получения волокнистой суспензии при одновременном отделении крупных частиц примесей;

-очистка ММ от тяжелых включений;

-сортирование ММ с целью отделения примесей органического и неорганического характера;

-фракционирование для разделения ММ по длине волокон;

-дополнительный размол для улучшения бумагообразующих свойств ММ;

-диспергирование ММ для отделения частиц печатной краски от поверхности волокон, снижения количества агломератов липких веществ, смешивания массы с отбеливающими реагентами;

-сгущение для проведения ряда технологических операций: диспергирования, отбелки или хранения ММ при более высокой концентрации;

-удаление печатной краски при флотации и промывке ММ;

-отбелка для повышения белизны и обесцвечивания ММ.

Для характеристики макулатурной массы применяются два термина: recycling fiber – регенерированное или вторичное волокно, получаемое после разволокнения макулатуры с последующей очисткой и сортированием ММ; и DIP (deinked pulp) – деинкированная ММ, полученная после удаления частиц печатной краски и, как правило, подвергнутая отбелке.

2. Выбор технологической схемы производства

При пользовании методическими указаниями студент должен учитывать все особенности технологии переработки макулатуры для производства заданного вида бумаги или картона и производить расчеты согласно приведенной методике.

Проектирование технологической линии по переработке макулатуры следует начинать с выбора принципиальной технологической схемы производства, которая отвечает профилю предприятия. Курсовое проектирование обычно предполагает расчет баланса воды и волокна, в то время как при дипломном проектировании студенту предлагается внести свои изменения в существующую технологическую схему производства с целью повышения производительности фабрики и улучшения качества продукции при одновременном снижении удельных расходов свежей воды, тепла и энергии.

Выбор технологической схемы должен быть основан на современных достижениях науки и техники и на опыте работы успешных предприятий российской и зарубежной бумажной промышленности. В технологической схеме должно быть предусмотрено использование оборотной и осветленной воды, а также минимальный расход свежей воды.

6

Выбор технологической схемы переработки макулатуры определяется видом вырабатываемой из нее бумаги или картона. При этом должны быть учтены качественные показатели бумаги или картона в соответствии с требованием ГОСТа или технических условий (ТУ) анализируемого предприятия. Для составления баланса воды и волокна необходимо установить концентрацию волокнистой суспензии и количество отходов по ступеням технологической линии, а также концентрацию оборотной воды.

В пояснительной записке курсового или дипломного проекта должно быть представлено обоснование выбранной схемы, графическое изображение технологического процесса и его краткое описание.

3. Методика составления материального баланса

Для организации производства по переработке макулатуры необходимо установить расход исходного сырья, химикатов, энергии и воды на единицу продукции. Расчет баланса воды и волокна позволяет определить расход макулатурного сырья и воды на 1 тонну макулатурной массы, получить точные данные о технологических потоках на различных стадиях процесса, выявить количество отходов от переработки макулатурного сырья и расход свежей воды.

Для определения изменения количества абсолютно сухого вещества и воды в потоках на различных стадиях производства составляют систему уравнений с двумя неизвестными величинами: одно уравнение относится к балансу потоков волокнистой суспензии, а другое – к балансу сухого вещества (волокна). При этом сумма потоков волокна и воды, поступающих на данную стадию производства, должны быть равны сумме уходящих потоков. Возможны

Q1 К1

Q3 К3

Q2 К2

7

Количество массы и оборотной воды выражают в килограммах (или в литрах), а концентрацию массы в граммах на литр или в процентах. Точность расчета сухого вещества 0,0001 кг, а воды и бумажной массы 1 л (при больших количествах массы – до 10 л).

Расчет баланса производят на 1 тонну продукции в соответствии с параметрами качества, поэтому его начинают в порядке, противоположном ходу технологического процесса. По окончании расчета баланса воды и волокна по всем стадиям процесса определяют расход макулатурного сырья и свежей воды на 1 тонну продукции. Полученные при расчете данные сводят в таблицу прихода и расхода волокна и воды по каждой стадии процесса.

4. Пример расчета баланса воды и волокна технологической линии переработки макулатуры

4.1. Описание технологической схемы проектируемого потока

Для получения белой макулатурной массы используется макулатура марок МС-1А и МС–2А. Макулатурное сырье с помощью ленточного транспортера подается в гидроразбиватель непрерывного действия. Полученная макулатурная масса концентрацией 2,5% через сортирующее сито гидроразбивателя насосом подается в очиститель массы высокой концентрации. Тяжелые отходы поступают в камеру отходов, где от них отмывается волокно, а отходы периодически сбрасываются в бункер отходов. Очищенная масса поступает в турбосепаратор для дополнительное разволокнение и очистку.

Тяжелые отходы собираются в камере отходов турбосепаратора и периодически сбрасываются в бункер отходов. Легкие отходы собираются в центральной части сортировки и удаляются на вибросортировку для отделения волокна. Волокно от вибросортировки возвращается в гидроразбиватель, а отходы поступают в бункер отходов.

8

Масса из турбосепаратора проходит через пульсационную мельницу для разбивания пучков волокон и далее подается в бассейн. В емкости масса разбавляется осветленной водой до концентрации 1,5% и поступает на напорную сортировку с диаметром отверстий 1,3 мм, в которую дополнительно поступает осветленная вода на разбавление. Отходы сортирования поступают в бункер отходов и далее на винтовой пресс для обезвоживания.

Очищенная макулатурная масса концентрацией 1,2% поступает на флотационную установку для отделения частиц печатной краски. Отходы от флотации, также как и отходы от напорной сортировки, подаются в сборник шлама, и затем в отвал. Масса, очищенная от частиц печатной краски, поступает в установку гидроциклонов для тонкой очистки, при этом очищенная масса с каждой ступени подается на вход предыдущей ступени.

Отходы сортирования после третьей ступени подаются в бункер отходов. Очищенная масса поступает на сгуститель для повышения концентрации до 5%, фильтрат от сгустителя - на флотационную установку. Фильтрат после отделения волокна (массовая доля волокна 0,001%) подается в бассейн осветленной оборотной воды (ООВ) и используется для разбавления массы в гидроразбивателе и на спрыски.

Из бассейна масса концентрацией 4,5% насосом подается на двухбарабанный сгуститель, входящий в состав термодисперсионной установки (ТДУ). На сгустителе масса обезвоживается до концентрации 30%. Фильтрат от сгустителя поступает в бассейн фильтрата. После сгустителя макулатурная масса подается в пропарочную камеру для термогидролитической обработки при температуре 95°С. Из пропарочной камеры масса шнеком подается в диспергатор. Под воздействием высокой температуры и последующего диспергирования происходит гомогенизация макулатурной массы с измельчением оставшихся частиц примесей.

После диспергатора масса разбавляется до концентрации 4,5% и поступает в бассейн. Из бассейна масса поступает в дисковую мельницу для фибриллирования. Затем размолотая масса поступает в бассейн, в котором разбавляется до концентрации 3,0%, и подается на бумагоили картоноделательную машину (БДМ или КДМ).

4.2. Расчет баланса воды и волокна

Расчет материального баланса технологической линии переработки макулатуры производится для обеспечения потребности в волокнистом полуфабрикате КДМ, которая вырабатывает макулатурный картон массой 150г/м2 с белым покровным слоем. Покровный слой (20% или 30г/м2) изготавливают из облагороженной макулатурной массы, очищенной от частиц печатной краски. КДМ имеет ширину 4200 мм и скорость 500 м/мин. Принципиальная технологическая схема представлена на рис. 1.

9