CN104703718B - 木质纤维素纤维束材料的化学处理及与其相关的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及使用化学机械制浆方法生产纸浆的系统和方法，在所述方法期间，木质纤维素材料经历没有化学浸渍的纤维化。木质纤维素材料的化学处理在材料的纤维化以变成纤维束期间或之后进行。

Description

木质纤维素纤维束材料的化学处理及与其相关的方法和系统

相关申请

本发明要求2012年9月27日申请的美国临时专利申请第61/706,238号的权益，该申请的全部内容通过引用包含在本申请中。

技术领域

本公开总体上涉及一种系统和方法，在该系统和方法中，使用化学机械制浆过程来生产纸浆，在被转变为纤维束前，木质纤维素材料不经历化学浸渍。木质纤维素材料在被转变为纤维束期间或之后而且在进一步纤维分离和/或细纤维化之前经历化学处理。

背景技术

机械制浆方法使用设备使木质纤维素材料的纤维分裂开以生产纸浆是周所周知的。一些方法结合机械精炼和化学处理，其被称为化学机械制浆(CMP)。一方面，CMP方法被认为降低了机械制浆过程中发生的对木质纤维素材料的不利影响的可能性，例如由于物理磨损和从该方法排放的热能，并且被认为提高了纸浆强度性能而且在某些情况下降低了精炼能量。

传统的CMP方法涉及纤维化之前材料的预处理，以形成纤维束和分离纤维。纤维化机械地将木质纤维素材料分解为它们的纤维成分元素。在预处理方法一种类型中，木屑可以经由被供给通过存在饱和蒸汽的压缩螺旋装置被预处理。压缩后，木质纤维素材料被供给到成纤器中，在成纤器中，材料被可选择地用化学制品处理，然后使其细纤维化。细纤维化涉及一种方法，该方法可以包括纤维表面层之间的侧键的外部中断，其导致纤维的局部分离或纤维外部层的小片，而且在纸浆浆料的机械精炼过程中，经常出现纤维内相邻层之间的内键和侧键。在CMP方法的另一种类型中，可以通过在压缩之后但进入成纤器之前预处理木质纤维素材料来制造纸浆。

纤维化之前木质纤维素材料的化学预处理过程的使用被认为产生了更大数量的优质纸浆，其具有更好的漂白性能、纤维结合强度和光学性能。化学预处理化学制品可以包括碱性过氧化物、碱性亚硫酸盐、氢氧化钠和草酸，如美国专利第8092647中所反映的，该专利的内容通过引用结合在在此。使用碱性过氧化物化学制品的木质纤维素材料的化学预处理被称为碱性过氧化物机械制浆(APMP)。

APMP的一种类型包含AP(碱性过氧化物)化学预处理(或者预调理)步骤和AP精炼机-化学制品处理步骤的结合，其在工业中被称为“P-RC APMP”方法。AP化学制品可以在整个过程(例如，在浸渍阶段、精炼机之前和精炼机之后)中分布，以减少苛刻条件对经历机械精炼的木质纤维素材料的影响，以及减少精炼所需要的能耗。由于在预处理阶段实现化学制品分布和效率方面的可能困难，也可以在大量的能量消耗在纤维化和下纤维化的初级精炼阶段之后添加化学制品。因此，初级精炼机阶段之后添加的AP化学制品对初级精炼机阶段纤维化和细纤维化所需要的能量损耗的减少可能没有帮助。

已知的P-RC APMP方法在预处理步骤中可以使用碎屑压缩、螺旋压缩和/或类型的压缩装置。P-RC APMP方法被认为改善了APMP方法，通过在精炼之前改善用于木质纤维素材料化学浸渍的化学制品的分布和使用预处理装置的设备的效率。由于木质纤维素材料尺寸和浸渍程度的变化，P-RC APMP方法中的预处理也被认为造成了化学制品不一致和不均匀分布的潜在问题。浸渍涉及一种方法，其可以包括木屑或纤维束的软化和通过物理机械处理的应用将木片或纤维束分离为它们的组成部分。

已知的方法反映在专利号为7300541、7300540、7300550、8048263和8216423的美国专利中。

在努力解决当前的P-RC APMP和其它APMP方法的潜在缺点，本公开的目的是提供用于化学机械制浆的改进系统和方法。

发明内容

本公开主要涉及试图解决和改善传统化学机械制浆方法的可能的缺点。一实施例可以包括：配置为接收木质纤维素材料的成纤器；配置为接收纤维化的木质纤维素材料的保留设备，其可操作地连接到所述成纤器；有或没有混合装置，其配置为接收纤维化的木质纤维素材料并且配置为将碱性过氧化物化学制品添加到纤维化的木质纤维素材料，混合装置可操作地连接到所述保留设备；以及配置为接收碱性过氧化物处理过的木质纤维素材料的保留塔，其可操作地连接到所述混合装置。木质纤维素材料，例如木屑，在进入成纤器前不久和/或进入成纤器时没有被化学浸渍。未经化学处理的木质纤维素材料还可以经历其它预处理，例如，进入成纤器之前的压缩洗涤和脱水。

因此，本申请公开了一种化学机械制浆方法，其使用化学机械制浆系统的一个实施例，所述方法包括：将木质纤维素材料供给到成纤器内；纤维化木质纤维素材料以形成纤维束；稀释纤维束以形成湿纤维束集料；保留湿纤维束集料第一预定时间；将碱性过氧化物化学制品和预定的过氧化物稳定剂添加到湿纤维束集料；以及将碱性过氧化物处理过的湿纤维束集料保留在保留塔中第二预定时间。木质纤维素材料在纤维化之前没有被化学浸渍。木质纤维素材料在纤维化之前还可以经历其它的预处理例如压缩洗涤和脱水。

本公开总体上涉及一种生产纸浆的系统和方法，通过在木质纤维素材料经历纤维化之后对木质纤维素材料进行化学处理。可能的步骤有：木质纤维素材料纤维化之前的洗涤、脱水和蒸汽处理。但是，在纤维化之前没有木质纤维素材料的化学浸渍。在经历细纤维化前之前，纤维化之后获得的纤维束的化学处理可以提供碱性过氧化物化学制品到纤维束的更均匀分布的应用。与传统的P-RC APMP相比，一般认为本公开的系统和方法生产相似浆料可以少需要10％-30％的具体能耗，并且少10％-20％的过氧化物化学制品。

附图说明

图1是根据本公开的系统的示意图。

图2是可以根据本公开实施的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地图解说明了系统10。通过线路15进入系统的木质纤维素材料(例如木屑或者“碎屑”以及具有木质素和纤维素的其它材料)可以进入碎屑洗涤器16以去除杂质。洗涤过的木质纤维素材料随后可以进入脱水螺旋17中，具有或没有压力，以在进入成纤器19前去除多余的液体。系统的另一个实施例可以不包括洗涤器16和脱水螺旋17，或者可以包括配置为执行从木质纤维素材料去除杂质的其它装置。系统的另一个实施例还可以包括蒸汽装置，其配置为在成纤器19的上游接收和用蒸汽处理木质纤维素材料。成纤器19接收的木质纤维素材料，经过或没有经过蒸汽处理和洗涤，在进入成纤器19之前没有被化学浸渍，并且可以不经历经由压缩装置的压缩、经由压缩装置的浸渍或者它们的结合。

在一个实施例中，未经化学处理的木质纤维素材料可以进入成纤器19并且在不存在化学制品例如碱化学制品和碱性过氧化物化学制品时经历纤维化。

在另一个实施例中，化学制品18，例如碱化学制品，包括氢氧化钠或者没有过氧化物的其它形式的碱性化学制品，被添加在入口、靠近入口，例如，在紧靠入口之前的管道或者容器中，或者成纤器19的精炼区，有或没有螯合剂，例如，二乙三胺五乙酸(DTPA)或者乙二胺四乙酸(EDTA)。碱化学制品有助于木质纤维素材料的纤维结构的软化，通过促进纤维壁中和纤维壁之间半纤维素的水解、中和材料中的酸基、并使提取物和对过氧化物漂白有害的其它潜在物质更可溶。

进一步的实施例包括在入口、靠近入口或在成纤器19的精炼区添加化学制品18，例如碱化学制品和/或碱性过氧化物化学制品。成纤器19可以被加压到某一预定的压力，例如计值压力在大约1巴到大约或甚至大于6巴之间，包括大约2巴到大约4巴，以及其间的所有子界。

从成纤器19排出的木质纤维素材料可以基本上包括纤维束，具有少许或没有细纤维化，并且其可以足够小以易于化学制品的渗透和分布。本公开中提到的纤维束一组两个或更多的纤维构成，其由纤维本身之间的原有的化学键化学键合。本公开中提到的纤维束不同于由已经被化学分离的纤维形成的纤维束。

纤维化材料，例如纤维束，有或没有碱化学制品18，可以在成纤器19的排放处被稀释以生产湿纤维束集料，该湿纤维束集料的固体浓度在大约1％到大约30％之间，包括大约1％到大约25％，包括大约2％到大约20％，大约4％到大约18％，大约8％到大约12％，以及其间的所有子界。在固体浓度小于10％的稠度，湿纤维束集料可以具有与浆料有关的性质。在另一个实施例中，在成纤器19的排放处，纤维化材料的固体浓度在上述范围中或高于上述范围，可能不需要稀释。

湿纤维束集料可以被保留在保留容器21中的保留时间为大约或甚至少于1分钟到大约或甚至大于20分钟，大约3分钟到大约16分钟，大约6分钟到大约10分钟，以及其间的所有子界。所述保留时间可能取决于，例如在成纤器19处添加的碱化学制品18的数量和木质纤维素材料的本性。保留步骤可以在稀释容器20、有或没有转子的保留容器21、输送管道或可以接收并允许湿纤维束集料保留的其它类型导管中执行。

可以使稀释后产生的湿纤维束集料经受洗涤和/或脱水，通过使用任何合适的脱水设备22，例如螺旋压榨机或从湿纤维束集料去除水的类似装置。脱水的湿纤维束集料可以变成化学处理的纤维束。脱水后，一种或多种碱性过氧化物化学制品23以及必要的稳定剂例如DTPA、EDTA、硅酸盐和硫酸镁可以添加到混合装置中的纤维束，然后在保留塔25中被保留足够的时间使得碱性过氧化物化学制品23完成反应。

碱性过氧化物化学制品23的碱性部分可以是氢氧化钠、碳酸钠、或其它碱性化学制品例如氧化镁、氢氧化镁、以及从制浆过程回收白液或绿液。基于木质纤维素材料的烘干重量，碱性化学制品的数量范围可以为大约或甚至少于1％到大约或甚至大于10％，包括大约2％到大约8％，大约4％到大约6％，以及其间的所有子界。基于木质纤维素材料的烘干重量，碱性过氧化物化学制品23的过氧化物部分可以是过氧化氢或其它合适的过氧化物化学制品，例如过氧乙酸和过碳酸，数量范围为大约0.5％到大约或甚至大于10％，包括大约2％到大约7.5％，大约4％到大约5.5％，以及其间的所有子界。存在于碱性过氧化物化学制品23中的碱性和过氧化物化学制品的数量取决于进入线路15的木质纤维素材料的特定类型和所需的纸浆性能，例如最终纸浆的亮度和强度。

根据碱性过氧化物化学制品23和处理产生的稠度，保留塔25可以包括低稠度、中等稠度或者高稠度容器以容纳碱性过氧化物处理过的纤维束。保留时间取决于碱性过氧化物化学制品23的数量和浓度以及进入线路15的在过程中要使用的木质纤维素材料的类型。

在材料离开保留塔25之后，可以使材料经受进一步的压缩和精炼，例如，使用螺旋压榨机26和罐27，并且通过第一精炼机28、第二精炼机29、罐或混合器30、筛选装置或其它过滤装置31和32、包括罐33的废弃物处理系统、精炼机34、罐35、筛选装置36、过滤装置38，并且被送到纸浆存储装置40。

在另一个实施例中，可以使材料经受筛选装置或其它过滤装置31、过滤装置38，并且被送到纸浆存储装置40。

在又一个实施中，可以使材料经受第一次通过过滤装置38、液体存储装置39、包括罐33的废弃物处理系统、精炼机34、罐35、筛选装置36、第二次通过过滤装置38，并且被送到纸浆存储装置40。

在附加的实施例中，在离开保留塔之后还可以使材料经历第二次碱性过氧化物处理过程，例如使用第二混合装置的第二次碱性过氧化物添加，并且在材料被送到进一步压缩和精炼以及其它加工例如漂白之前将其保留在第二保留塔。

图2示出了利用一过程的方法50，在所述过程中，木质纤维素材料可以被直接供给55用于纤维化57。在纤维化57之前，可以使用压缩装置对木质纤维素材料进行洗涤和脱水。可以进行洗涤以去除木质纤维素材料中的污垢、石块或其它不需要的杂质。木质纤维素材料在纤维化之前没有被化学浸渍。

在一个实施例中，未经化学处理的木质纤维素材料在碱化学制品存在的情况下经历纤维化57。碱化学制品有助于木质纤维素材料的纤维结构的软化，通过促进纤维壁中和纤维壁之间半纤维素的水解、中和材料中的酸基、并使提取物和对过氧化物漂白有害的其它潜在物质更可溶。螯合剂，例如DTPA和EDTA，也可与碱化学制品一起添加以与木质纤维素材料中对过氧化物漂白反应有害的过渡金属结合成螯合物，为了在后续阶段中更容易去除金属。供选择地，在后续漂白阶段也可以添加螯合剂以促使过渡金属变成对过氧化物漂白剂不起化学反应。

在另一个实施例中，未经化学处理的木质纤维素材料可以在不存在化学制品例如碱和碱性过氧化物化学制品时被纤维化。在进一步的实施例中，未经化学处理的木质纤维素材料可以在存在化学制品例如碱和碱性过氧化物化学制品时被纤维化。

纤维化57形成的纤维束可以经历稀释和保留59以生产湿纤维束集料，该湿纤维束集料的固体浓度在大约1％到大约30％之间，包括大约1％到大约25％，包括大约2％到大约20％，大约4％到大约18％，大约8％到大约12％，以及其间的所有子界。在固体浓度小于10％，湿纤维束集料可以与浆料的性质有关。湿纤维束集料可以被保留一定的时间范围，从大约或甚至少于1分钟到大约或甚至大于20分钟，包括大约1分钟到大约20分钟，大约3分钟到大约16分钟，大约6分钟到大约10分钟，以及其间的所有子界。

纤维化57后，湿纤维束集料可以在容器或输送管道例如吹线管中被稀释和保留59。稀释和保留59之后，湿纤维束集料可以经历洗涤和脱水61以去除来自于上述化学处理的提取物和过渡金属，以形成洗涤过的和脱水的纤维束。

可以使用混合装置来执行碱性过氧化物化学制品63和其它必要过氧化物稳定剂的添加，所述混合装置将化学制品分布到洗涤过的和脱水的纤维束上。

步骤63中的碱性过氧化物化学制品的碱性部分可以是氢氧化钠、碳酸钠、或其它碱性化学制品例如氧化镁、氢氧化镁、以及从制浆过程回收白液或绿液。基于木质纤维素材料的烘干重量，所使用的碱性化学制品的范围可以为大约或甚至少于1％到大约或甚至大于10％，包括大约2％到大约8％，大约4％到大约6％，以及其间的所有子界。

基于纤维材料的烘干重量，步骤63中的碱性过氧化物化学制品的过氧化物部分可以是过氧化氢或其它合适的过氧化物化学制品，范围为大约0.5％到大约或甚至大于10％，包括大约2％到大约7.5％，大约4％到大约5.5％，以及其间的所有子界。存在于碱性过氧化物化学制品中的碱性和过氧化物化学制品的数量取决于过程中供给55的特定木质纤维素材料和所需的纸浆性能，例如最终纸浆的亮度和强度。

碱性过氧化物添加63之后，具有碱性过氧化物的纤维束可以进入保留塔以被保留65。保留塔可以是容器、连接容器之间的导管或者是它们的组合。材料可以被保留65足够的时间让允许所添加的碱性过氧化物化学制品63被纤维束消耗并且变成经处理的纤维束。

在步骤65中，在经处理的纤维束离开保留塔之后，经处理的纤维束可以进入常规的精炼过程67，其中，经处理的纤维束将在低稠度、中等稠度或高稠度精炼设备中被进一步地精炼并且经历包括常规筛选、废弃物处理、浓缩以及后漂白的进一步精炼阶段。后漂白包括但不限于多阶段漂白例如中等稠度、高稠度漂白、或它们的任何组合。在另一个实施例中，材料在离开保留塔之后(阶段67)还可以经历第二次碱性过氧化物处理过程，例如，使用第二混合装置的第二碱性过氧化物添加，并被保留在第二保留塔，在材料被送到进一步压缩和精炼设备之前。

本公开的一个优选方法还包括，在木质纤维素被纤维化57之前，用蒸汽处理木质纤维素材料，有或者没有洗涤。本公开的另一个优选方法还具有附加的缓冲容器，木质纤维素材料在被洗涤和脱水之后并且在经历纤维化57之前被保持在缓冲容器。

虽然已经结合目前被认为最实用且优选的实施例描述了本发明，但应该理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，其想要覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (17)

1.一种化学机械制浆方法，包括：

将木质纤维素材料供给到成纤器内；

纤维化木质纤维素材料以形成纤维束；

稀释纤维束以形成湿纤维束集料；

保留湿纤维束集料第一预定时间；

将碱性过氧化物化学制品和过氧化物稳定剂添加到湿纤维束集料从而形成碱性过氧化物处理过的湿纤维束集料；以及

将碱性过氧化物处理过的湿纤维束集料保留在第一保留塔中第二预定时间；

其中，木质纤维素材料在纤维化之前没有被化学浸渍，而且

在形成纤维束与将碱性过氧化物处理过的湿纤维束集料保留在第一保留塔中第二预定时间之间没有使用精炼机。

2.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其进一步包括在将木质纤维素材料供给到成纤器内之前对未经处理的木质纤维素材料进行洗涤和脱水。

3.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其中，湿纤维束集料具有的固体浓度是1％到30％。

4.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其中，湿纤维束集料的保留时间在1分钟至20分钟之间，其中，湿纤维束集料被保留在容器中。

5.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其中，基于木质纤维素材料的烘干重量，所述碱性过氧化物化学制品包括范围为1％到10％的碱性化学制品。

6.如权利要求5所述的化学机械制浆方法，其中，所述碱性化学制品包括氢氧化钠、碳酸钠、氧化镁、氢氧化镁、白液、绿液、或它们的组合中的至少一种。

7.如权利要求4所述的化学机械制浆方法，其进一步包括在保留之后而且在碱性过氧化物化学制品的添加之前，对湿纤维束集料洗涤和脱水。

8.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其中，经处理的纤维束将在低稠度精炼设备、中等稠度精炼设备或高稠度精炼设备中被进一步地精炼，其中，精炼步骤之后是筛选、废弃物处理、纸浆浓缩和后漂白。

9.如权利要求8所述的化学机械制浆方法，其中，所述后漂白从由

用于中等漂白稠度的多个漂白步骤、

用于高漂白稠度的多个漂白步骤、

和它们的组合组成的组中选择。

10.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其进一步包括在木质纤维素材料进入所述成纤器之前蒸汽处理木质纤维素材料。

11.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其进一步包括在木质纤维素材料进入所述成纤器之前将木质纤维素材料保留在缓冲容器中。

12.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其进一步包括：

经历第二次碱处理过程，

其中，所述第二次碱处理过程包括将第二碱性过氧化物化学制品和过氧化物稳定剂添加到碱性过氧化物处理过的湿纤维束集料，

其中，在将碱性过氧化物处理过的湿纤维束集料保留在第一保留塔中之后添加第二碱性过氧化物化学制品和过氧化物稳定剂；以及

将碱性过氧化物处理过的湿纤维束集料和第二碱性过氧化物化学制品以及过氧化物稳定剂保留在第二保留塔中第三预定时间。

13.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其中，湿纤维束集料具有的固体浓度在4％到18％之间。

14.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其中，湿纤维束集料的保留时间在3分钟至16分钟之间，其中，湿纤维束集料被保留在容器中。

15.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其中，基于木质纤维素材料的烘干重量，所述碱性过氧化物化学制品包括范围为2％到8％的碱性化学制品。

16.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其中，湿纤维束集料的保留时间在1分钟至20分钟之间，其中，湿纤维束集料被保留在输送管道中。

17.如权利要求1所述的化学机械制浆方法，其中，湿纤维束集料的保留时间在3分钟至16分钟之间，其中，湿纤维束集料被保留在输送管道中。