Основные технологии получения целлюлозы

Выход целлюлозы из древесины  при одинаковой степени провара  для непрерывных установок в  среднем такой же, как для периодических  котлов, но процент непровара несколько  выше. Таким образом, удельный расход древесины на 1 т воздушно-сухой  целлюлозы из котла остается примерно одинаковым, но в расчете на 1 т  отсортированной целлюлозы он будет  несколько больше. Удельный расход активной щелочи на варку 1 т воздушно-сухой  целлюлозы для современных установок  типа Камюр, у которых гидравлическое давление в котле создается и  регулируется насосом, .подающим слабый черный щелок в нижнюю горловину  котла, остается на том же уровне, что  и при периодической варке.

Относительно малый жидкостный модуль ведет к существенному  сокращению удельного расхода пара на варку. В среднем при выработке  целлюлозы нормального выхода удельный расход пара составляет 1,2—1,4 т на 1 т воздушно-сухой целлюлозы, из которых  примерно 25 % затрачивается в виде свежего пара низкого давления (0,2—0,3МПа) в пропарочной цистерне и предварительных  подогревателях для варочного щелока и 75 % —виде пара высокого давления (1,2МПа) в зонах нагрева котла  в системах верхней и нижней циркуляции. Выделяющийся при отборе черного  щелока из котла пар самоиспарения  из первого (верхнего) испарителя при  давлении 0,2—0,3 МПа используется для  пропарки щепы, а из второго (нижнего) испарителя при атмосферном давлении направляется вместе с отработанным паром пропарочных цистерн на конденсацию в терпентинные конденсаторы. Из выдувного резервуара пар самоиспарения  при горячей диффузионной промывке не выделяется, а при диффузионной экстракции выделяется в том случае, если температура массы при выдувке  выше 100 °С, и также направляется в конденсаторы. Количество теплой воды, которое получается за счет вторичного тепла паров пропарки, паров самоиспарения  щелока и выдувки, при непрерывной  варке, таким образом, заметно меньше, чем при периодической, и это  в некоторой степени снижает  общую экономию в расходе пара. Удельный расход электроэнергии для  современных установок типа Камюр  составляет 40—50 кВт-ч на 1 т целлюлозы, что не превышает норм расхода  энергии при периодической варке.

4. Современность

4.1. Совершенствование существующих  способов варки

4.1.1. Улучшение пропитки щепы варочным щелоком

Пропитка щепы варочным щелоком  занимает определенное место в общем  механизме щелочной варки и, следовательно, ускорение или улучшение процесса пропитки может сократить общую  продолжительность варки, улучшить степень и равномерность провара  целлюлозы или сократить расход активной щелочи на варку.

Одним из таких методов  является предварительная пропитка щепы варочным щелоком под давлением. Этот способ был предложен и практически  испытан еще в 20-х годах в  США и Канаде. Лаборатория кафедры  целлюлозно-бумажного производства ЛТА провела проверку способов сульфатной варки с предварительной пропиткой  щепы белым или черным щелоком  под гидравлическим давлением. Оказалось, что при получении целлюлозы  одинаковой степени провара варка  с предварительной пропиткой  дает возможность сократить расход активной щелочи по сравнению с обычной  варкой. Относительно более существенную экономию дает пропитка черным щелоком  за счет использования его остаточной щелочности. Величина достигаемой экономии зависит от степени провара целлюлозы. При получении целлюлозы жесткостью 80—90 перм ед. из еловой щепы расход активной щелочи был меньше на 20—25%, чем при  обычной варке, в то время как  при получении жесткой целлюлозы (120—130 перм. ед.) экономия в расходе щелочи на варку составляла лишь 5—10%. Что касается условий пропитки, то достаточно 15 мин при давлении 0,2 МПа, чтобы проявился указанный эффект. Продолжительность варки при этом сокращается на 30 мин, что дает возможность избежать удлинения общего оборота.

Варка сульфатной целлюлозы  с предварительной пропиткой  щепы черным щелоком под давлением  с успехом использовалась в 50-х  годах на Сегежском ЦБК, причем удельный расход активной щелочи при варке  жесткой целлюлозы для мешочной бумаги удалось снизить с 280 до 255 кг Na₂O на 1 т целлюлозы, т.е. на 10 %.

 

4.1.2. Инжекционный метод варки и углубленная делигнификация

В основе так называемого  инжекционного метода варки лежит  идея сокращения избытка щелочи, задаваемого  на варку. При этом способе варки  в коте т перед началом варки  задается лишь часть активной щелочи, необходимой для полного провара, остальное же ее количество добавляется  или инжектируется в течение  варки небольшими порциями. В результате в варочном растворе обеспечивается постоянная концентрация активной щелочи в продолжение всей варки, более  низкая, чем при обычной варке, в начале процесса, но более высокая  к концу варки. Увеличение концентрации активной щелочи в конечном периоде  варки дает возможность сократить  либо продолжительность варки, либо расход щелочи.

В последнее время интерес  к инжекционному способу заметно  повысился в связи с проблемой  так называемой углубленной делигнификации. Проблема эта возникла как результат усиления внимания к вопросам охраны окружающей среды при производстве беленых сульфатных целлюлоз. Отбельные отделы современных сульфатцеллюлозных заводов являются основными источниками загрязнения сточных вод, и уменьшение

количества органических веществ, содержащихся в этих водах, существенно облегчает их очистку. Отсюда возникло стремление ≪глубже  варить≫ беленые виды сульфатных целлюлоз, но делать это таким образом, чтоб не потерять их высокой прочности, т. е. получать после варки мягкую белимую целлюлозу с высокими показателями механической прочности. В решении этой задачи может  оказать существенную помощь инжекционный метод варки. Для примера на рис. 7 показаны кривые изменения концентрации NaOH и Na2S при варке с углубленной делигнификацией, в сопоставлении с кривыми для обычной варки. Варки проводились с еловой щепой при жидкостном модуле 4:1 и сульфидности щелока 25%. Расход активной щелочи при обычной варке составлял 17,5 % Na2O к массе абс. сухой древесины, при варке с углубленной

Рис. 76. Изменение концентрации NaOH и Na2S в варочном щелоке при обычной варке (1) и варке с углубленной дслигнификацией с двукратной инжекцией варочного щелока (2)

делигнификацией—19,2% Na₂O, из которых 9% задавались с белым щелоком, заливаемым на варку, а 5,9 % Na₂O и 4,3 % Na₂O инжектировались с двумя дополнительными порциями белого щелока во время варки. Интересно отметить, что если общая концентрация активной щелочи в конечном периоде варки с углубленной делигнификацией была выше, чем при обычной варке, то концентрация сульфида оказалась ниже, чем при обычном методе, несмотря на то, что общее количество сульфида, заданное на варку, в последнем случае было больше. По-видимому, инжекционный метод варки обеспечивает более эффективное расходование сульфида на реакцию сульфидирования лигнина, что должно облегчать его растворение. В результате селективность делигнификации улучшается и появляется возможность получать мягкие целлюлозы при относительно небольшом снижении выхода и при сохранении достаточно высоких показателей механической прочности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.1.3. Двухтемпературная варка

В основе двухтемпературного графика варки лежит идея ускорить процесс делигнификации на его первом этапе, когда резкое повышение температуры не грозит неприятными последствиями в отношении деструктивного повреждения целлюлозы, и несколько замедлить его к концу варки, когда целлюлозное волокно уже не защищено лигнином от воздействия варочного щелока.

Исследование метода двухтемпературной  варки в лаборатории показали следующее: при одной из лабораторных варок березовой древесины продолжительность  заварки до 180 °С составила 1 ч 20 мин, после чего за счет резкого сброса давления температура была снижена  до 160 °С и при этой температуре  щепа доваривалась еще в течение 1 ч 30 мин. За время заварки была получена целлюлоза с выходом 51 % и жесткостью 109 перм. ед.; стоянка на 160 °С снизила  выход лишь до 50 % при жесткости  целлюлозы 94 перм. ед. По сравнению с  обычной варкой при 170 °С при двухтемпературной  варке древесины березы достигалось  повышение выхода целлюлозы одинаковой жесткости примерно на 1 % в основном за счет повышения содержания пентозанов. При этом двухтемпературная варка  обеспечивала равномерный провар целлюлозы  и сокращение продолжительности  варки примерно на 1 ч по сравнению  с обычной.

 

4.1.4. Варка с осаждением  гемицеллюлоз

В конечном периоде варки наблюдается частичное обратное осаждение из щелока на целлюлозном волокне растворенных гемицеллюлоз, перешедших в раствор на ранних стадиях процесса. Многие предложения по увеличению выхода технической целлюлозы связаны с попытками использовать и усилить это явление. Растворение целыми молекулами и обратное осаждение на волокне в наибольшей степени проявляется у ксилана. Поэтому методы варки с осаждением из щелока гемицеллюлоз в основном относятся к варке лиственных пород древесины. Адсорбцию ксилана на целлюлозном волокне можно искусственно усилить, доводя рН варочного щелока до 11 и ниже путем добавки серной кислоты. Оттяжка щелока из котла в периоде заварки, когда он содержит максимальное количество неразрушенного ксилана, и возврат его в котел в конце варки могут повысить выход на 1—1,5%. Если отобранный щелок подкислить перед возвратом на варку до рН 11, то выход целлюлозы повышается на 1,5—2%.

 

4.1.5. Варка с высоким  расходом активной щелочи

Как способ получения облагороженных целлюлоз для химиической переработки известный интерес представляет щелочная варка с высоким расходом активной щелочи при пониженной температуре. Одновременное использование этих двух факторов дает возможность добиться более полного удаления гемицеллюлоз и низкомолекулярных фракций и получить мягкую целлюлозу с высоким содержанием альфа целлюлозы и низким содержанием пентозанов.

 

 

4.2. Экологические проблемы

Технология целлюлозы  представляет собой одно из ответвлений  химической технологии, развитие которой  в современном мире в большой степени зависит от успешного решения вопросов охраны окружающей природы и сохранения условий для существования человечества.

Важнейшим вопросом является использование и переработка отработанных варочных щелоков, содержащих около половины органических веществ, входящих в состав древесины (или другого растительного сырья), и все количество химикатов, затраченное на варку. Сульфатные щелоки вредны для водоемов не в меньшей, а даже в большей степени, чем сульфитцеллюлозпые, ибо содержат такие токсичные вещества, как метилсернистыс соединения.

Возможность уничтожения  или утилизации щелоков определяется полнотой их отделения от сваренной  целлюлозы, что является задачей  процесса промывки. Современные многоступенчатые схемы промывки на барабанных фильтрах обеспечивают отбор в виде крепкой фракции 96—97% органических и минеральных веществ, содержащихся в щелоке после варки. Применение пресс-фильтров, непрерывных диффузоров давления и ленточных (столовых) фильтров позволяет повысить эффективность промывки до 98 и даже 99%. Такие показатели практически достигаются на некоторых передовых сульфатцеллюлозных и бисульфитцеллюлозных заводах. Но, к сожалению, наряду с этим существуют, в частности в нашей стране, еще десятки сульфитцеллюлозных предприятии, оборудованных сцежами для промывки целлюлозы, которые в лучшем случае, при применении двухступенчатых схем, не обеспечивают эффективности промывки выше 85—90%, а в худшем- (при однократной промывке водой) эффективность ее падает на 50—60%. Неудовлетворителный отбор крепкого щелока на использование — первая причина острой экологической обстановки на большинстве отечественных сульфитцеллюлозных заводов .

Что касается уничтожения  и утилизации щелоков, то в этом, отношении сульфатцеллюлозные заводы находятся в гораздо лучшем положении, чем сульфитцеллюлозные. Черный щелок на всех сульфатных предприятиях обязательно подвергается выпарке и сжиганию, а получаемый после этого минеральный остаток (плав) служит источником получения свежего (белого) варочного щелока. В сульфитцеллюлозном производстве на советских предприятиях отработанный щелок используют для биохимической переработки с получением этилового спирта и кормовых дрожжей после чего оставшаяся барда или последрожжевая бражка подвергается выпарке на товарные лигносульфонаты или же, в редких случаях, сжигается. Следует отметить, что выпарка сульфитных концентратов осложняется сильной коррозией аппаратуры. При сжигании щелоков на магниевом основании имеются достаточно надежные системы для регенерации серы и основания из дымовых газов, и на всех зарубежных и российских заводах это делается. Сжигание амониевых щелоков можно с успехом проводить в топках энергетических котлов, но без регенерации химикатов. Сульфитный щелок на кальциевом основании на зарубежных заводах до недавнего времени также сжигался. Щелоки на натриевом основании могут сжигаться в СРК почти такого же устройства, как СРК для сульфатных щелоков. Однако регенерация химикатов из полученного зеленого щелока довольно сложна и не имеет типового решения. Большинство советских сульфитных заводов не имеют котлов для сжигания щелоков, а реализация товарных лигносульфонатов покрывает не более 30% того количества, которое предприятия способны вырабатывать. Все это является второй причиной обострения экологических проблем на сульфитцеллюлозных заводах и главным поводом, приводящим в ряде случаев к их закрытию или перепрофилированию.

Весьма важен вопрос о  сокращении газопылевых выбросов до предельно допустимых концентраций (ПДК). В сульфитцеллюлозном производстве это в основном сернистый газ, выделение которого происходит в кислотном, варочном отделах и установках для регенерации [17]. Должное уплотнение аппаратуры и трубопроводов, внимательное обслуживание и контроль, а также использование современных методов абсорбции и адсорбции непоглощенных газов [3, с. 330 и 361] могут обеспечить достижение ПДК по SOa (0,05 мг/м3) в точках газовых выбросов в атмосферу на сульфитцеллюлозном заводе.

Значительно сложнее обстоит дело с улавливанием газопылевых выбросов в сульфатцеллюлозном производстве, где приходится бороться с выделением летучих дурнопахнущих и частично токсичных соединений — сероводорода, метилмеркаптана, диметилсульфида и др. Наиболее эффективным методом улавливания сернистых соединений из дымовых газов следует считать' абсорбцию их щелочными растворами в скрубберах глубокого охлаждения, установленных в хвостовой части СРК на выходе газов в трубу. Наиболее действенным технологическим средством уменьшения количества сернистых компонентов в газах является повышение концентрации черного щелока перед подачей в топку до 75—80% путем упаривания в суперконцентраторах : по опыту финских заводов, содержание SO2 в газах падает при этом практически до нуля, иными словами, вся сера из черного щелока переходит в плав в виде минеральных соединений. Резко снижается при этом содержание в газах оксидов азота, которые представляют собой еще более опасный в экологическом отношении компонент, чем меркаптан и сероводород.