一种禾草类原料逆流抽提制浆工艺及装置

摘要

本发明公开了一种禾草类原料逆流抽提制浆工艺及设备，采用乙醇-水-过氧化物多段逆流抽提禾草类原料制浆方法，煮浆段控制抽提液乙醇体积浓度为40％～65％，各段温度在90～190℃，抽提时间40～180min，液比1∶4～1∶10，并在煮浆段末段加入原料重量0.5％～5％的过氧化物作为辅助剂，洗浆段各段温度在70～100℃，抽提时间30～60min，液比1∶3～1∶6；逆流抽提制浆装置，主要包括抽提器，换热器，贮液罐，闪蒸罐，冷凝器，乙醇水罐和循环泵等设备单元。该工艺适用于制浆工业，具有对禾草类原料适应性广、蒸煮温度低、成浆质量好、浆料易漂白、投资省、废液易回收高附加值副产物等优点，可实现清洁制浆。

说明书

技术领域

本发明涉及一种禾草类原料逆流抽提制浆工艺及装置，涉及制浆造纸工程技术领 域。

背景技术

我国随着经济的腾飞，对纸浆与纸张的需求量迅速增加。然而众所周知，我国很 多草浆厂仍采用传统制浆方法，给环境和能源带来很大压力，与推动制浆发展的主要 动力因素是相悖的。因此，我国在“制浆造纸‘十一五’规划”中，将限制传统草浆 生产线的建立，在“制浆造纸‘十二五’规划”中，要大力发展制草浆的清洁生产技 术。鉴于此，寻找一种新的既能有效的回收木素等有用物质，又能较好的保护环境、 对草浆有良好适应性的制浆方法，已成为造纸行业需要迫切解决的问题。

近些年来发展起来的有机溶剂制浆技术，可以提供更好的脱木素方法，降解的木 素、半纤维素中留有较多的反应功能基团，并且可以更容易的从溶剂介质中回收、提 纯。有机溶剂制浆法是一种对环境友善的制浆技术，在一定条件下，有机溶剂可以降 解植物原料中的木素，从而达到木素、纤维素、半纤维素高效分离的目的。由于整个 过程中采用的是有机溶剂分离、水解或溶解木素，且有机溶剂可以通过蒸馏回收而被 反复回收循环利用，无废水或少量废水排放，使其能够真正从源头防治制浆造纸过程 中的废水对环境的污染，是实现无污染或低污染“绿色环保”造纸的有效技术途径。 可以这样说，有机溶剂制浆是“纤维原料精炼”的典型代表，可以用植物纤维原料“精 炼”出纸浆、木素和半纤维素等产品，并尽量减少环境污染的目标。

乙醇法制浆是有机溶剂法制浆中最为典型的制浆方法之一，已经被研究的有酸催 化、碱催化和自催化乙醇法制浆技术，本专利属于自催化乙醇法制浆范畴。传统自催 化乙醇法制浆的缺点是抽提温度高、抽提器承受压力高、抽提时间长、浆料洗涤难， 采用多段逆流抽提，并添加过氧化氢等过氧化物辅助抽提可以大幅度降低抽提温度， 实现抽提液的循环高效利用，既节能又可以降低抽提器的制造成本，还可以省去传统 洗浆工序，节约用水量，并提高回收系统废液中副产物的浓度，利于废液的回收利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种无污染、用水量低、可回收高附加值副产品的逆流抽提 制浆方法，该制浆方法采用乙醇/水溶液为主剂，并添加过氧化氢做辅助剂逆流抽提禾 草类原料，降低了蒸煮温度，减少了乙醇消耗量，为废液的高效回收与副产物的提取 创造了有利条件。

本发明通过如下技术方案实现：一种禾草类原料逆流抽提制浆方法，为多段逆流 抽提方法，包括蒸煮和洗浆，其工艺如下：

a.蒸煮：在抽提器中，将经过一个抽提过程后得到的抽提废液和补充液作为上一 段抽提过程的抽提液，并在蒸煮末段加入禾草类原料质量0.5％～5％的过氧化物，抽提 段数为1～4；

b.洗浆：将热水水作为洗浆末段的抽提液，所得抽提废液作为上一段抽提过程的 抽提液，抽提段数为1～3。

本发明所述原料为本领域技术人员所知的可用于制浆的禾草类原料，如芦苇、麦 草、稻草、荻苇、蔗渣等；本发明中所述热水的温度为70℃～90℃；所述抽提废液为 含有乙醇、水、降解木素、降解糖、糠醛和有机酸等成分的抽提废液。

本发明所述禾草类原料逆流抽提制浆方法优选蒸煮段抽提液中乙醇的体积浓度为 40％～65％。

本发明所述禾草类原料逆流抽提制浆方法优选补充液为回收乙醇、或回收乙醇与 浓度为95％的工业乙醇的混合物。由于抽提废液中含有乙醇、水、降解木素、降解糖、 糠醛和有机酸等成分，其乙醇浓度低于40％，因此利用较高浓度的乙醇水溶液作为补 充液，配制成合乎浓度要求的乙醇水溶液。乙醇浓度可通过设置于管道上的超声乙醇 浓度在线检测仪检测得知。

本发明所述禾草类原料逆流抽提制浆方法优选蒸煮各段按液比1∶4～1∶10进行，抽 提温度90～190℃，抽提时间30～180min；所述洗浆各段按液比1∶3～1∶6进行，抽提温 度70～100℃，抽提时间30～60min。

本发明所述禾草类原料逆流抽提制浆方法优选过氧化物为过氧化氢。

本发明所述禾草类原料逆流抽提制浆方法优选以下工艺步骤：

a.将禾草类原料切成草段放入压力容器，按液比1∶4～1∶10进行一段抽提，一段抽 提所用抽提液为二段抽提废液，通过补加回收乙醇控制乙醇体积浓度为40％～65％，抽 提温度160～190℃，抽提时间90～180min，一段抽提完成后，放出抽提废液进入闪蒸 罐回收部分乙醇，其他废液送回收系统，压力容器中的浆料进行二段抽提；

b.二段抽提用三段抽提废液按液比1∶4～1∶10进行，通过补加回收乙醇控制乙醇体 积浓度为40％～65％，抽提温度120～170℃，抽提时间40～90min，二段抽提完成后， 放出抽提废液供一段抽提，浆料进行三段抽提；

c.三段抽提用四段抽提废液按液比1∶4～1∶10进行，通过补加回收乙醇和95％的工 业乙醇控制乙醇体积浓度为40％～65％，并加入原料质量0.5％～5％的过氧化氢，抽提 温度90～140℃，抽提时间40～90min，三段抽提完成后，放出抽提废液供二段抽提， 浆料进行四段抽提；

d.四段抽提用五段抽提废液按液比1∶3～1∶6进行，抽提温度70～100℃，抽提时间 30～60min，四段抽提完成后，放出抽提废液供三段抽提，浆料进行五段抽提；

e.五段抽提用热水按液比1∶3～1∶6进行，抽提温度70～100℃，抽提时间30～60min， 五段抽提完成后，放出抽提废液供四段抽提，从容器中放出浆料得到纸浆。

本发明的另一目的是提供一种禾草类原料逆流抽提制浆装置，主要包括下述设备 单元：

至少一个抽提器，所述抽提器用于进行抽提制浆；

至少一个换热器，所述换热器通过接收来自至少一个循环泵的抽提液而与抽提器 相连，用于加热抽提液，控制抽提温度；

至少一个贮液罐，所述贮液罐接收来自抽提器的抽提液，用于贮存抽提液，每个 抽提段配备个贮液罐；

至少一个闪蒸罐，所述闪蒸罐接收来自抽提器的抽提液，并与冷凝器相连，用于 一段抽提废液闪蒸，回收部分乙醇及其他低沸点组分；

至少一个冷凝器，所述冷凝器与乙醇水罐相连，用于闪蒸蒸汽的冷凝；

至少一个乙醇水罐，所述乙醇水罐通过管道与抽提器相连；

至少一个热水罐，所述热水罐通过接收来自冷凝器和换热器的热水而与冷凝器和 换热器相连；所述热水罐通过管道与抽提器连接。

本发明所述禾草类原料逆流抽提制浆装置还包括至少一个设于管道上的用于检测 乙醇浓度的超声乙醇浓度在线检测仪。

本发明所述禾草类原料逆流抽提制浆装置还包括用于连接设备单元的管道、管道 连接装置和控制阀门。

本发明所述抽提器为密封压力容器，容器上端为进料口，下端为放料口，间接加 热，抽提时，循环泵中部抽液，抽提液经换热器加热后，分成两部分，分别从抽提器 上、下端返回抽提器，反复循环直至本段抽提结束。

作为优选，所述抽提器优选其长径比5∶1～10∶1，耐压能力大于3.0兆帕；贮液罐 优选其容积为抽提器容积的3～5倍；所述换热器优选板式或管式换热器，其换热面积 满足：抽提液从室温升至最高保温温度时间不大于60min。

本发明的有益效果是：

(1)与现有技术相比，本发明所述蒸煮技术，无污染，省掉传统制浆法中的洗 浆工序，用水量少，用水量约为传统制浆方法的1/5，且废液容易回收。与普通自催化 乙醇法制浆相比，可以降低抽提最高温度20℃以上，既节能又可降低抽提器制造要求。

(2)投资省。由于不需要设置洗浆设备，不需要碱回收设备，废液回收采用蒸 馏技术，这样建设投资可节省40％左右。

(3)可回收高附加值副产物。废液中含有乙醇木素、降解糖、糠醛、甲酸、乙 酸等高附加值副产物，回收技术比较简单，而传统制浆方法这些副产物都被作为燃料 烧掉了。回收这些副产物的价值比制备纸浆的利润还高。

(4)成浆质量好。浆料具有良好的适漂性能，成浆质量与碱法浆相当。

附图说明

本发明附图2幅，以单抽提器、五段抽提为例。

图1为一种禾草类原料逆流抽提制浆方法的工艺流程图；

图2为一种禾草类原料逆流抽提制浆装置示意图。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以 任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料， 如无特殊说明，均可从商业途径获得，或可以常规方法制备。

实施例1

一种禾草类原料逆流抽提制浆方法，为芦苇原料采用乙醇-水-过氧化氢五段逆流 制浆，工艺步骤如下：

a.将芦苇原料切成草段放入压力容器，按液比(g∶mL)1∶8进行一段抽提，一段抽 提所用抽提液为二段抽提废液，通过补加回收乙醇控制乙醇体积浓度为50％，抽提温 度170℃，抽提时间150min，一段抽提完成后，放出抽提废液进入闪蒸罐回收部分乙 醇，其他废液送回收系统，压力容器中的浆料进行二段抽提；

b.二段抽提用三段抽提废液按液比(g∶mL)1∶8进行，通过补加回收乙醇控制乙醇 体积浓度为50％，抽提温度150℃，抽提时间60min，二段抽提完成后，放出抽提废 液供一段抽提，浆料进行三段抽提；

c.三段抽提用四段抽提废液按液比(g∶mL)1∶8进行，通过补加回收乙醇和95％ 的工业乙醇控制乙醇体积浓度为50％，并加入原料质量1.5％的过氧化氢，抽提温度 120℃，抽提时间60min，三段抽提完成后，放出抽提废液供二段抽提，浆料进行四段 抽提；

d.四段抽提用五段抽提废液按液比(g∶mL)1∶4进行，抽提温度80℃，抽提时间 30min，四段抽提完成后，放出抽提废液供三段抽提，浆料进行五段抽提；

e.五段抽提用热水按液比(g∶mL)1∶4进行，抽提温度90℃，抽提时间30min，五 段抽提完成后，放出抽提废液供四段抽提，从容器中放出浆料得到纸浆。

图2为一种禾草类原料逆流抽提制浆装置示意图。

如图2所示，该装置包含一个抽提器101，该抽提器101为密封压力容器，抽提 器101上端的进料口上设置阀门918，下端的放料口设置阀门913；抽提器101中部抽 液口通过管道与循环泵301相连，并在管道上设置阀门910；换热器201一端通过管 道与抽提器101上部抽液口相连，并在管道上设置阀门912，另一端通过管道与循环 泵301相连，并在管道上设置阀门909；在换热器201上设置加热蒸汽入口和冷凝水 排出口，该换热器201通过设置于冷凝水排出口的管道与热水罐1001相连；热水罐 1001通过管道与抽提器101连接，并在管道上设置阀门919。超声乙醇浓度在线检测 仪1101设置于抽提器101与换热器201相连的管道上。

在与循环泵301相连的管道上设置有阀门908，通过阀门908的抽提废液可通过 连接管道及设于其上的阀门907或阀门906进入闪蒸罐601或贮液罐400，如贮液罐 401、贮液罐402、贮液罐403、贮液罐404。

闪蒸罐601通过管道与循环泵301相连，管道上设有阀门907和908，经过闪蒸 罐601闪蒸的抽提废液为主要包含乙醇、水、低沸点有机酸的闪蒸蒸汽，闪蒸蒸汽通 过管道进入冷凝器501，冷凝器501通过管道分别连接乙醇水罐701和热水罐1001。

由抽提器101泵出的抽提废液经由管道及设于其上的阀门908、阀门906、阀门 914、阀门915、阀门916、阀门917进入贮液罐401、贮液罐402、贮液罐403或贮液 罐404。通过开启或关闭阀门914、阀门915、阀门916或阀门917控制抽提液进入贮 液罐401、贮液罐402、贮液罐403或贮液罐404中任意一个。

贮液罐401、贮液罐402、贮液罐403、贮液罐404和乙醇水罐701中贮存的流体 经由各自的管道及设于其上的阀门905、阀门904、阀门903、阀门902、阀门901和 循环泵301进入抽提器101。通过开启或关闭阀门905、阀门904、阀门903、阀门902、 阀门901控制抽提废液进入抽气器101。

具体操作如下：

1、装料：关闭其他阀门并打开阀门918，将芦苇原料草段装入抽提器101，装料 完成。

2、一段抽提：

a.抽提液泵入与抽提：打开阀门905、阀门909、阀门912，将贮液罐401中的抽 提液经药液循环泵301泵入抽提器101，达到液比1∶8后关闭阀门905、阀门918，并 打开阀门910和阀门911，抽提液在抽提器101、循环泵301、换热器201间循环，加 热并抽提原料草段；

b.抽提废液处理：一段抽提完成后，关闭阀门909，打开阀门908和阀门907， 抽提液经过闪蒸罐601，闪蒸蒸汽为乙醇、水、低沸点有机酸等，闪蒸蒸汽经冷凝器 501冷凝后进入乙醇水罐701，不凝气送处理，闪蒸完成后，关闭阀门908和阀门907。

3、二段抽提：

a.抽提液泵入与抽提：关闭阀门910，打开阀门904、阀门909、阀门912，经循 环泵301将贮液罐402中的抽提液泵入抽提器101，达到液比1∶8后关闭阀门904，打 开阀门910和阀门911，抽提液在抽提器101、循环泵301、换热器201间循环，加热 并抽提一段抽提后的浆料；

b.抽提废液处理：二段抽提完成后，关闭阀门909，依次打开阀门914、阀门906、 阀门908，抽提液被抽入贮液罐401；

4、三段抽提：

a.抽提液泵入与抽提：向贮液罐403中加入芦苇原料草段质量1.5％的过氧化氢， 关闭阀门910，打开阀门903、阀门909、阀门912，经循环泵301将贮液罐403中的 抽提液泵入抽提器101，达到液比1∶8后关闭阀门903，打开阀门910和阀门911，抽 提液在抽提器101、循环泵301、换热器201间循环，加热并抽提一段抽提后的浆料；

b.抽提废液处理：三段抽提完成后，关闭阀门909，依次打开阀门915、阀门906、 阀门908，抽提液被抽入贮液罐402；

5、四段抽提：

a.抽提液泵入与抽提：关闭阀门910，打开阀门902、阀门909、阀门912，经循 环泵301将贮液罐404中的抽提液泵入抽提器101，达到液比1∶4后关闭阀门902，打 开阀门910和阀门911，抽提液在抽提器101、循环泵301、换热器201间循环，加热 并抽提一段抽提后的浆料；

b.抽提废液处理：四段抽提完成后，关闭阀门909，依次打开阀门916、阀门906、 阀门908，抽提液被抽入贮液罐403；

6、五段抽提：

a.抽提液泵入与抽提：关闭阀门910，打开阀门919、阀门909、阀门912，经循 环泵301将热水罐1001中的热水泵入抽提器101，达到液比1∶4后关闭阀门919，打 开阀门910和阀门911，热水在抽提器101、循环泵301、换热器201间循环，加热并 抽提一段抽提后的浆料；

b.抽提废液处理：五段段抽提完成后，关闭阀门909，依次打开阀门917、阀门 906、阀门908，抽提液被抽入贮液罐404。

7、取料：关闭其他阀门，打开阀门913将纸浆取出。

在整个抽提过程中通过开启或关闭阀门901控制进入补充液进入抽提器101的量 以达到抽提液中乙醇浓度满足各抽提段的要求。乙醇浓度通过设置于管道上的超声乙 醇浓度在线检测仪1101检测得知。

在首次开机抽提时，一段抽提使用新鲜乙醇水溶液为抽提液，得到的抽提废液不 送回收，而是在抽提器101、循环泵301、换热器201间持续循环，并通过向抽提器 101中加入新鲜乙醇水溶液得到一段、二段、三段抽提所需的抽提液，4～5周期的运转 系统达到稳定状态，达到稳态后的装置按照上述操作方法进行抽提操作。

所得纸浆质量列于表1。

表1芦苇五段逆流抽提成浆效果

  细浆得率/％   硬度(卡伯价)   黏度/mL·g^-1  54   18   960

实施例2

一种禾草类原料逆流抽提制浆方法，为麦草原料采用乙醇-水-过氧化氢五段逆流 制浆，工艺步骤如下：工艺操作与实施例1相同，工艺条件如下：

一段抽提：温度175℃，时间150min，液比1∶7，乙醇浓度55％；

二段抽提：温度150℃，时间60min，液比1∶7，乙醇浓度55％；

三段抽提：温度130℃，时间60min，液比1∶7，乙醇浓度55％，过氧化氢用量 1.0％；

四段抽提：温度80℃，时间30min；液比1∶4；

五段抽提：温度80℃，时间30min，液比1∶4。

所得纸浆质量列于表2。

表2麦草五段逆流抽提成浆效果

  细浆得率/％   硬度(卡伯价)   黏度/mL·g^-1  53   16   940

实施例3

一种禾草类原料逆流抽提制浆方法，为麦草原料采用乙醇-水-过氧化氢五段逆流 制浆，工艺步骤如下：工艺操作与实施例1相同，工艺条件如下：

一段抽提：温度165℃，时间180min，液比1∶8，乙醇浓度50％；

二段抽提：温度150℃，时间80min；液比1∶8，乙醇浓度50％；

三段抽提：温度130℃，时间60min，液比1∶8，乙醇浓度50％，过氧化氢用量 1.5％；

四段抽提：温度80℃，时间30min，液比1∶5。

五段抽提：温度80℃，时间30min，液比1∶5。

所得纸浆质量列于表3。

表3芦苇五段逆流抽提成浆效果

  细浆得率/％   硬度(卡伯价)   黏度/mL·g^-1  51   19   1080