Развитие технологии для производства бумаги и картона

Мировое производство бумаги и картона в 2005 году превысило 450 млн тонн в год, при этом средние темпы роста составили 2,2% в год.

Опережающими темпами развивается выпуск писче-печатных видов бумаги:

В ближайшие годы планируется снижение спроса на газетную бумагу − 1,9%, немелованную печатную бумагу с содержанием механической древесной массы (МДМ) − 2,1%, мешочную бумагу − 1% в год. В целом для мировой бумажной промышленности характерно стабильное увеличение объемов производства бумаги и картона, в основном за счет использования вторичного волокнистого сырья − макулатуры.

В структуре производства писче-печатных видов бумаги заметно увеличилось производство легкомелованной (LWC) и суперкаландрированной (SC) бумаги, полученных с использованием в композиции МДМ и макулатурной массы, что снижает ее стоимость, а современные методы мелования и каландрирования обеспечивают достаточно высокие печатные и другие потребительские свойства.

Основными тенденциями развития бумажного производства являются:

Существует два направления развития технологии бумаги и картона: использование химических реагентов и совершенствование конструкции основного технологического оборудования.

Машиностроительные фирмы-поставщики БДМ и КДМ (картоноделательные машины) непрерывно совершенствуют конструкции, их основные узлы. Проектные мощности БДМ для производства массовых видов бумаги достигают 350000−400000 тонн в год при ширине машины в пределах 9−10 м. Дальнейшее увеличение ширины БДМ ограничивается прогибом валов, который возрастает пропорционально четвертой степени увеличения ширины, что влечет за собой необходимость увеличения диаметров валов с соответствующим повышением стоимости машины.

Следует учитывать, что увеличение производительности БДМ для выработки газетной бумаги на 25% за счет изменения ее скорости с 960 до 1200 м/мин при постоянной ширине 8500 мм повышает стоимость БДМ примерно на 20%. В то же время такое повышение производительности за счет увеличения ширины БДМ с 8500 до 10500 мм при сохранении постоянной скорости 960 м/мин повышает стоимость машины на 80%.

Машиностроительные фирмы-поставщики бумагоделательного оборудования рассматривают возможность увеличения скорости современных БДМ до 3000−3500 м/мин, т. к. с точки зрения механической конструкции машины это вполне допустимо. Однако необходимо решить проблемы недостаточной прочности влажного бумажного полотна, сокращения содержания загрязняющих веществ в бумажной массе и оборотной воде, совершенствования структурных характеристик одежды машин. В ближайшем будущем в бумажной промышленности будут осуществляться в основном проекты реконструкции и модернизации производства, а также оптимизации технологических процессов за счет сокращения затрат сырья, энергии и труда.

Фирма Voith разработала концепцию БДМ на одной «платформе», которая подразумевает единство взаимосвязанных процессов производства бумаги от получения волокнистого полуфабриката, в том числе и вторичного, до выработки готовой продукции, включая отделку бумаги, приготовление химикатов, переработку оборотного брака, систему водоподготовки и автоматизацию производства. Данная концепция учитывает основные требования к качеству определенного вида бумаги или картона, предполагает стандартизацию отдельных модулей или блоков производственной линии, а также компонентов модулей, с помощью которых осуществляется регулирование технологического процесса.

Эффективность работы БДМ определяется непрерывностью ее работы и качеством вырабатываемой продукции. В настоящее время широко внедряется компактная система мокрой части БДМ − РОМ, быстро реагирующая на изменения технологических параметров и поддерживающая стабильность ее работы. Замена традиционной системы короткой циркуляции массы на РОМ-систему повышает эффективность работы БДМ на 3−10%, обеспечивает стабильность потока массы перед напорным ящиком, повышение скорости обезвоживания полотна на сеточном столе за счет деаэрации массы и сокращение расхода химических реагентов. Кроме того, деаэрация оборотной воды с помощью РОМ снижает обрывность полотна.

Регулирование массы 1 м² полотна на сетке производится системой ее разбавления оборотной водой в ступенчатом диффузоре гидравлического напорного ящика. Ступенчатый диффузор создает микротурбулентность в суспензии, что обуславливает гомогенность бумажной массы. Такие системы значительно снижают колебания массы 1 м² бумажного полотна по ширине машины, быстро реагируют на отклонения от технологических параметров и позволяют сократить продолжительность периодов перехода с одного вида бумаги (картона) на другой.

Другим направлением в конструировании напорных ящиков является многослойный (стратифицированный) напуск бумажной массы, при котором поток массы состоит из двух и более слоев. Единовременное формование многослойного полотна позволяет оптимизировать композиционный состав различных видов бумаги и картона с целью повышения их качества. Например, трехслойный картон «Крафт-лайнер» производится с использованием макулатурной массы или МДМ в среднем слое, беленой сульфатной целлюлозы в верхнем и небеленой целлюлозы в нижнем.

Конструкции нового поколения напорных ящиков Crescent для выработки двух- и трехслойных санитарно-бытовых видов бумаги разработаны фирмой Andritz.

Конструкция мокрой части современных скоростных БДМ представляет собой двухсеточное формующее устройство − gap-former. Такими устройствами оснащают машины для выработки всех видов бумаги, поскольку они обеспечивают эффективное обезвоживание массы на сетке, более высокое качество формования бумажного полотна и равномерное распределение наполнителя по толщине полотна, благодаря чему исключается его коробление.

Создание оптимальных условий формования бумажного полотна и качество готовой продукции в определяющей мере зависят от конструкции формующей сетки БДМ. При непрерывном процессе производства бумаги сетка является приводным ремнем множества валов сеточного стола БДМ и конвейерной лентой для бумажного полотна. До середины ХХ столетия в качестве материала для изготовления сеток использовали фосфористую бронзу. При повышении скорости БДМ более 350 м/мин наиболее пригодным материалом для сетки являются синтетические нити, применение которых способствует повышению удержания волокна и наполнителя и снижению маркировки бумажного полотна.

Наименее сложная по переплетению конструкция сетки − однослойная − представляет собой тканное полотно из нитей основы, ориентированных в продольном направлении, и нитей утка, поперечных движению сетки. Однослойные сетки с 4- и 5-ремизным переплетением нитей (ремизность − количество поперечных нитей в каждом повторяющемся звене) до сих пор используются на машинах, вырабатывающих упаковочные виды бумаги и картон. Недостатки однослойных сеток − низкая поперечная стабильность и невысокая жесткость при эксплуатации.

Для двухслойных синтетических сеток характерна оптимизация формующих характеристик при улучшении транспортирующих функций с сохранением водопропускной способности. Двухслойная сетка имеет одну систему продольных и несколько систем поперечных нитей (7- и 8-ремизные переплетения). Иногда конструкции сеток имеют дополнительные поперечные нити, вплетенные в верхнюю часть, для улучшения поддерживающей способности. Введение нитей раздвигает основные поперечные нити, что облегчает кондиционирование сетки. Однако использование двухслойных сеток может ухудшить условия обезвоживания полотна из-за повышенного удержания мелкого волокна и наполнителя и затрудняет промывку сетки.

Трехслойные сетки представляют собой две независимые сетки, связанные между собой третьей системой нитей, так называемой «связкой». «Связка» имеет различную конфигурацию и может быть ориентирована как в продольном, так и в поперечном направлении. Данный тип сеток лишен недостатков двухслойных сеток. Однако износ связывающей нити и сужение сетки при прохождении связующего утка на сеточном столе с течением времени ухудшает качество бумаги. Это привело к необходимости создания более жесткой структуры сетки.

С 1998 года применяют сетки SSB-структуры, состоящие из двух слоев нити основы и трех слоев нитей утка. Такая структура создает лучшие условия формования при достаточной степени обезвоживания, при этом отсутствует маркировка полотна вследствие равномерности расположения и небольшой площади ячеек по всей поверхности сетки. Сетка SSB обладает высокой износостойкостью из-за наличия двух связующих нитей между верхним (2-ремизным) и нижним (4-, 5- или 6-ремизным) слоями.

Использование новых, более прочных полимерных материалов позволило создать ультратонкие многослойные сетки с малым размером отверстий со стороны, примыкающей к бумажному полотну. Сетки с основой для поддержания бумажного полотна создают лучшие условия формования при достаточной степени обезвоживания, при отсутствии маркировки полотна вследствие небольшой площади ячеек, равномерно расположенных по поверхности сетки.

Стремление к повышению скорости БДМ обуславливает сокращение или полную ликвидацию открытых участков передачи бумажного полотна в прессовой части машины. Решению этой задачи, а также повышению эффективности обезвоживания способствовало создание башмачных или широкозахватных прессов, которые имеют увеличенную площадь обезвоживания, что сохраняет пухлость и жесткость полотна. При этом сухость бумажного полотна после прессовой части составляет 50−52%, что на 20−25% снижает расход пара на сушку.

Для производства санитарно-бытовых видов бумаги фирма Andritz разработала новый метод − ТАD (Through Air Drying), когда сушка бумажного полотна осуществляется за счет прохождения сквозь него воздуха. Бумага, полученная этим методом, имеет повышенную пухлость (на 15−75% по сравнению с обычной), мягкость и высокие абсорбирующие способности. Основным отличием от традиционного способа является замена стадии прессования сушкой на устройстве ТАD. На сеточной части перед данным устройством установлена паровая камера с узлами вакуумного обезвоживания. Бумажное полотно, попадая на сукно устройства ТАD, проходит над формовочным ящиком, который повышает его сухость до 25−30% и способствует приданию ему формы рельефа сукна.

Сушка полотна в устройстве ТАD происходит на поверхности перфорированного цилиндра, работающего под вакуумом, под воздействием горячего воздуха и незначительного давления. Перепад давления способствует прохождению воздуха сквозь полотно бумаги и сукно. Процесс сушки завершается на янки-цилиндре за счет обдува горячим воздухом. Недостатком метода является повышенный расход энергии.

Башмачный пресс Tissue Flex − совместная разработка фирм Voith и Andritz − применяется для прессования санитарно-бытовых видов бумаги и устанавливается на поверхности янки-цилиндра вместо отсасывающего прижимного вала. Ширина захвата пресса больше при сохранении линейной нагрузки, а максимальное давление в захвате меньше, что обеспечивает успешное обезвоживание при повышении пухлости и мягкости полотна.

Технология импульсной сушки, или сушки в процессе прессования, является новым направлением в совершенствовании процессов прессования и в настоящее время находится в стадии внедрения. Ее отличие от обычного прессования состоит в том, что один из валов пресса нагревается газом или элект­ричеством до высокой температуры (до 400°С), благодаря чему сухость полотна бумаги повышается до 60% в течение 20−100 мс. Применение данного способа позволяет сократить расход энергии, улучшить прочностные показатели бумаги и оптимизировать ее композицию.

Современная конструкция сушильной части быстроходных БДМ имеет однорядное расположение сушильных цилиндров. Преимуществом данной конструкции является упрощение удаления оборотного брака в случае обрыва полотна, а существенным недостатком − значительное удлинение сушильной части машины. Для исправления этого недостатка предусмат­ривают установку индивидуальных сушильных колпаков над отдельными бумажными и сукносушильными цилиндрами, что позволяет интенсифицировать процесс сушки.

Фирма Metso разработала устройство для интенсификации процесса сушки методом обдува бумажного полотна горячим воздухом.

Принципиально новой техникой сушки картона является устройство Condebelt фирмы Metso, в котором картонное полотно, заключенное между двумя сетками, проходит между двумя стальными лентами, одна из которых (верхняя) обогревается паром, а другая (нижняя) охлаждается водой при температуре 80−90°С. Вода, содержащаяся в картонном полотне, при соприкосновении с верхней лентой испаряется, а образующийся пар конденсируется на нижней холодной ленте и отводится через ячейки сетки. Эффективность сушки в устройстве Condebelt в 5−15 раз выше, чем на обычных сушильных цилиндрах.

Под действием высокой температуры и давления между лентами содержащиеся в волокнах лигнин и гемицеллюлозы размягчаются и приобретают вязкотекучие свойства, что способствует более прочному сцеплению волокон в полотне и придает ему повышенную гладкость и водостойкость. Применение сушки Condebelt позволяет уменьшить массу 1 м² картона на 21−24% при сохранении качества, либо повысить показатели механической прочности на 20%, либо использовать в его композиции волокнистые полуфабрикаты высокого выхода и макулатурную массу.

Фирма Voith разработала способ интенсивной сушки Boost Dryer, который позволяет сократить длину сушильной части на 50% и более, снизить массу 1 м², повысить прочность полотна, исключить из состава КДМ клеильный пресс и каландр. Поверхность сушильного цилиндра в устройстве Boost Dryer нагревается паром до температуры 150−190°С. Полотно картона прижимается к поверхности цилиндра с помощью тонкой сетки, грубой сетки и охлаждающей плотной ленты. Прижим осуществляется гидравлической системой под давлением.

При прохождении полотна по поверхности цилиндра содержащаяся в нем влага испаряется и конденсируется в ячейках охлаждаемой грубой сетки. В результате прижима полотна к цилиндру достигается высокая гладкость полотна, что позволяет исключить лощильный цилиндр из состава КДМ. При этом повышаются показатели прочности картона: сопротивление расщеплению слоев при продольном сжатии (SCT) − на 15%, разрывная длина − на 16%, сопротивление продавливанию − на 41%. Устройства Boost Dryer способны заменить несколько групп или все сушильные цилиндры КДМ.

Вследствие повышения скорости БДМ возрастают требования к сушильным сеткам, такие как высокая стабильность, устойчивость к износу, температуре и влажности, проницаемость и простота очистки. Сушильные сетки PrintTech фирмы Voith обеспечивают равномерную поверхность бумажного полотна и эффективную передачу тепла. Стабильность размеров сеток за счет повышенной поперечной жесткости обусловлена высокой плотностью плетения с поперечными мононитями диаметром 0,6 мм.

В отделке бумаги в последние годы наметилась тенденция включения в состав сушильной части БДМ таких агрегатов, как устройства для мелования, «мягких» каландров и суперкаландров. Основное преимущество таких конструктивных решений заключается в существенном сокращении производственной площади.

Включение установок для мелования в состав БДМ стало возможным после разработки клеильных прессов валкового устройства пленочного типа, которые наносят покровную пасту одновременно на обе стороны бумажного полотна при сохранении контурного профиля бумаги. Новые конструкции меловального устройства имеют два вала, к каждому из которых примыкает дозирующий вал, вращающийся со скоростью, отличной от наносящего вала, благодаря чему в пленке наносимого покровного сос­тава возникают усилия сдвига, обеспечивающие стабильность пленки при высокой скорости.

Весьма перспективным является метод «шторного» мелования (фирмы Voith). В данном устройстве отсутствуют механические элементы для разравнивания пасты по поверхности полотна. Паста вытесняется через узкую щель напускной камеры и падает в виде «шторы» на полотно под действием силы тяжести. В точке соприкосновения с полотном «штора» изменяет свое направление движения и растягивается с образованием тонкой пленки на поверхности, которая высушивается воздухом.

Недостатком данного метода является односторонность покрытия полотна. Масса покровного слоя регулируется скоростью движения картонного полотна и шторы и содержанием сухого вещества в пасте. Дозирование пасты завершается до ее контакта с полотном, благодаря чему равномерность толщины слоя не зависит от неровностей поверхности полотна-основы. В результате обес­печивается высокая степень равномерности покрытия полотна в машинном и поперечном направлении, а отсутствие механических деталей, соприкасающихся с полотном, снижает требования к прочности бумажного полотна и уменьшает количество обрывов.

Фирма Metso разработала способ мелования распылением покровной пасты под высоким давлением непосредственно на поверхность бумаги без прямого контакта с частями БДМ, при этом давление, оказываемое на бумагу, минимально, количество наносимого вещества составляет от нескольких граммов до 20−30 г/м². Бумажное полотно проходит через устройство OptiSpray вертикально, сверху вниз. Равномерность толщины покровного слоя при меловании распылением соответствует пленочному способу. В качестве основного компонента пасты с содержанием сухого остатка до 53% используется только карбонат кальция.

Преимуществами новых способов мелования по сравнению с шаберным и пленочным методами являются снижение количества обрывов, уменьшение габаритов, широкие пределы изменения массы покровного слоя и возможность быстрого перехода на другой режим.

Присутствие грубых волокон МДМ создает в бумажном полотне несомкнутую структуру поверхности бумажного полотна, что осложняет покрытие его меловальной пастой. Предварительное каландрирование бумажного полотна перед нанесением покровного слоя позволяет уменьшить шероховатость его поверхности и создать более сомкнутую структуру.

Фирмой Metso разработана конструкция «мягкого» каландра башмачного типа. Каландр состоит из башмачного вала, охватываемого эластичной лентой, с гидравлическим прижимом башмака к обогреваемому контрвалу. Широкий захват позволяет снизить удельное давление и увеличить пухлость картона, что позволяет уменьшить массу 1 м² картонного полотна и расход волокна на 3−5%.

Каландр NipcoFlex башмачного типа фирмы Voith состоит из верхнего обогреваемого вала и нижнего вала со встроенным башмаком и обтянутого эластичной рубашкой QualiFlex. Каландрирование бумажного полотна происходит между рубашкой и верхним валом при линейном давлении в захвате 500 кН/м, ширина захвата − от 110 до 250 мм. Принцип действия башмачного каландра заключается в создании градиента влажности и температуры в полотне. Для увлажнения полотна перед входом в каландр установлена паровая коробка. Поверхность верхнего вала диаметром 1650 мм нагревается до 250°С индукционным способом. Увеличенная длина захвата позволяет значительно снизить нагрузку на полотно, что способствует сохранению его пухлости.

Новейшим направлением в каландрировании бумаги являются встроенные каландры, оборудованные валами с синтетическим покрытием. Каландры Janus фирмы Voith и Optiload фирмы Metso могут заменить обычные суперкаландры в соотношении 1:2. В случае их установки вместо «мягких» каландров значительно сокращается расход энергии на обогрев валов при повышении качества отделки поверхности полотна. Следует учесть, что встроенный многовальный каландр увеличивает длину БДМ на 14 м, в то время как отдельно стоящие суперкаландры увеличивают длину здания на 64 м.

Производство бумаги невозможно без использования химикатов. Ранее применялся исключительно сульфат алюминия (глинозем), который добавляли для улучшения многих свойств бумаги: повышения эффективности канифольного клея, уменьшения проб­лем с «вредной» смолой, повышения удержания компонентов бумажной массы. В настоящее время для повышения работоспособности только одной современной БДМ можно насчитать более 20 различных химикатов.

Вспомогательные химические вещества можно разделить на две большие группы:

1. химикаты, улучшающие качество бумаги, изменяют свойства бумаги;
2. химикаты, улучшающие процесс, повышают эффективность работы БДМ.

Химикаты, улучшающие качество бумаги

Химикаты, упрочняющие бумагу в сухом состоянии. Такие вещества используют для компенсации снижения прочности бумаги при введении наполнителей и/или добавлении низкокачественного волокна, например вторичного. В качестве таких веществ обычно применяют различные виды крахмала.

Природные крахмалы имеют низкое сродство целлюлозным волокнам и в последние годы практически не применяются. Сегодня в производстве бумаги используются модифицированные крахмалы, химически обработанные с целью изменения вязкости, стабильности или ионной природы.

При добавлении в бумажную массу крахмала с катионным зарядом его молекулы притягиваются к отрицательно заряженным волокнам и наполнителям. Катионный крахмал не только удерживается на поверхности волокон, но и снижает дзета-потенциал композиции, устанавливает связи между волокнами, мелочью и наполнителем, способствует флокуляции и улучшает первичное удержание и удержание наполнителей.

Положительное действие катионного крахмала сказывается на работе БДМ в целом: улучшаются условия обезвоживания и прессования бумажного полотна, что позволяет повысить скорость машины и стабильность ее работы.

Вещества для придания влагопрочности. Влагопрочность − это способность сохранять свойства бумаги во влажном состоянии. Влагопрочной может быть названа бумага, у которой разрывная длина во влажном состоянии составляет не менее 30% от ее разрывной длины в сухом состоянии.

Смолы влагопрочности применяются только для некоторых видов бумаги, выпускаемых в количестве 4−5% от общего объема бумажной продукции. В первую очередь, это санитарно-гигиенические виды бумаги, кроме туалетной, и упаковочные виды, такие как бумажные мешки, сумки, картон для упаковки молочных продуктов, оберточная бумага для замороженных продуктов и пр. В композицию специальных видов бумаги − бумаги для этикеток, покровных слоев обоев, картографической бумаги, фильтровальной, фотографической, банкнотной и пр. − также добавляют смолы влагопрочности.

В качестве смол влагопрочности обычно используют формальдегидные (мочевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные) и полиамидаминэпихлоргидридные смолы. В особых случаях применяют полиэтиленимин, диальдегид крахмала, полиакриламид с глиоксалевой составляющей и др.

Проклеивающие вещества. Известно, что классическим способом проклейки для различных видов бумаги является канифольная проклейка, при которой смоляные кислоты реагируют с квасцами с образованием гидрофобного резината алюминия. Ранее применяли натриевые соли смоляных кислот, позднее − модифицированные дисперсии канифоли, которые используются и сейчас. Однако проклейка в кислой среде имеет ряд недостатков, во-первых, из-за нестабильности при старении бумаги, во-вторых, в кислой среде невозможно использовать карбонат кальция, обладающий высокой белизной.

В настоящее время в Европе более 98% всей мелованной и немелованной бумаги без содержания МДМ проклеивают в слабощелочной среде: величина рН среды − 7,0−8,5. В США, где проклейку в щелочной среде начали использовать только около 20 лет назад, сейчас 85% бумаги без МДМ производится таким образом.

Однако для отдельных видов упаковочного картона канифольная проклейка все еще необходима, также как и для недостаточно промытой небеленой СФИ целлюлозы.

При щелочной проклейке обычно применяют проклеивающие реагенты − димер алкилкетена (AKД) или ангидрид алкенилянтарной кислоты (АSA-AЯА). Эти химикаты вступают в реакцию с гидроксильными группами целлюлозных волокон, в результате достигается хороший проклеивающий эффект.

Переход на проклейку в щелочной среде требует обеспечения стабильности работы БДМ и, особенно, эффективности химикатов для удержания. Нестабильное и/или низкое удержание приводит к гидролизу проклеивающих веществ вследствие большего времени их пребывания в системе. Продукты такого гидролиза легко образуют отложения на частях БДМ, что снижает эффективность производства.

Минеральные компоненты. Первоначальной целью добавки наполнителя в структуру бумаги было уменьшение стоимости композиции, и количество вводимого наполнителя ограничивалось только прочностью полотна. В настоящее время наполнители вводят для улучшения специфических характеристик бумаги, таких как оптические, физические и эстетические.

Введение наполнителя в композицию позволяет:

• улучшить формование полотна, заполнением пустот между волокнами;
• обеспечить более ровную поверхность;
• увеличить непрозрачность и белизну;
• повысить гладкость, что обеспечивает хорошее воспроизведение текста и рисунков;
• улучшить печатные свойства за счет получения более ровной и однородной поверхности, большей непрозрачности, улучшения красковосприятия с уменьшением проникновения краски на обратную сторону листа, увеличения контрастности изображения и равномерности печати;
• сохранять стабильность размеров бумаги;
• уменьшить себестоимость бумаги за счет замены дорогостоящего волокна более дешевым наполнителем;
• снизить загрязненность оборотной воды растворенными органическими веществами из-за частичной адсорбции их наполнителем;
• экономить пар при сушке бумаги.

В качестве наполнителя обычно используют каолин, однако в конце 70‑х годов прошлого века начали применять природный карбонат кальция (GСС), а в 80‑е годы − химически осажденный карбонат кальция (РСС). Структура потребления минеральных компонентов для производства бумаги в мире представлена в таблице 1.

Увеличению доли карбоната кальция в общемировом потреблении минеральных компонентов в бумажном производстве способствовал переход к технологии производства бумаги в нейтральной среде. В 2001 году его доля составила 14 млн тонн, или 56% от общего объема потребления минеральных веществ.

Основные преимущества карбоната кальция:

• меньшая стоимость природных карбонатов по сравнению с каолином;
• высокая белизна;
• получение более прочной и долговечной бумаги вследствие обес­печения необходимого щелочного резерва, предохраняющего бумагу от воздействия веществ атмосферы с кислотными свойствами;
• легкое обезвоживание бумажного полотна благодаря более округлой форме частиц карбоната по сравнению с пластинчатыми частицами каолина;
• более высокие печатные свойства бумаги (по сравнению с каолином) при офсетном способе печати.

При среднегодовом росте производства бумаги 2,3% в период с 2002 по 2007 год предполагается рост потребления карбоната кальция 5,5% в год, или на 4,4 млн тонн за указанный период. В то же время рост потребления каолина ожидается на уровне 1,7% в год, или 0,3 млн тонн.

Химикаты, улучшающие процесс получения бумаги

Химикаты для удержания и обезвоживания. Удержание и обезвоживание с 1970‑х годов стали одними из ключевых факторов в производстве бумаги. Химикаты для удержания оказывают влияние на содержание компонентов бумажной массы в системе короткой циркуляции, которые, в свою очередь, влияют на эффективность процесса и свойства бумаги.

Положительное воздействие химикатов для повышения удержания компонентов бумажной массы выражается в уменьшении эффекта двусторонности бумаги, снижении расхода функциональных химикатов (наполнителей, клея, крахмала и пр.), уменьшении отложений на оборудовании и снижении нагрузки на очистные сооружения.

Улучшение условий обезвоживания бумажного полотна при введении соответствующих химикатов приводит к снижению расхода пара на сушку, улучшению формования полотна за счет уменьшения концентрации массы в напорном ящике, увеличению срока службы сеток вследствие понижения вакуума на обезвоживающих элементах и способствует повышению скорости БДМ.

В качестве вещества для удержания длительное время использовали сульфат алюминия. Переход на нейтральную проклейку ограничил применение данного химиката. С этой целью начали использовать однокомпонентные системы на основе катионномодифицированных полиакриламидов или этилениминовых аддуктов, интенсивность удержания которых идентифицировалась с интенсивностью флокуляции волокон целлюлозы с данными веществами.

С повышением скорости БДМ и, соответственно, обезвоживающих усилий понижается эффективность однокомпонентных систем. В этом случае применяются двухкомпонентные удерживающие системы, состоящие из комбинации различных типов анионных и катионных полиэлектролитов и представляющие собой природные и синтетические полимеры. Такие системы имеют меньший размер флокул, чем однокомпонентные, что положительно влияет на формование бумаги.

Фиксирующие химикаты. Использование МДМ и макулатурной массы в композиции бумаги связано с поступлением большого количества растворенных и коллоидных веществ, так называемых анионных загрязнений. Это, в основном, компоненты древесины − гемицеллюлозы, лигнин и экстрактивные вещества, которые являются анионами по своей природе. Они активно взаимодействуют с катионными химикатами для удержания, значительно снижая их эффективность и повышая их расход. Поэтому для уменьшения содержания растворенных и коллоидных веществ используют фиксирующие химикаты. Если ранее для этой цели служил сульфат алюминия, то сейчас применяют различные виды синтетических полимеров: полиамины, поливиниламины, полиэтиленаминовые аддукты, полимеры на основе хлорида алюминия.

Другие виды химикатов, улучшающих процесс производства бумаги. Температура, при которой протекает процесс получения бумаги, является практически идеальной для развития микроорганизмов, и они накапливаются в системе. При замыкании цикла водопользования усиливается рост слизеобразования. Для преодоления данного явления применяют добавки биоцидов в оборотную воду.

Повышенное пенообразование возникает при увеличении содержания коллоидных смоляных веществ и/или при перемешивании воздуха с бумажной массой. С целью сокращения пены в систему вводят пеногасители.

В случае использования СФИ или лиственной СФА целлюлозы возникает проблема «вредной» смолы из-за накопления в системе и отложения на оборудовании БДМ, а соответственно, и на бумажном полотне частиц экстрактивных веществ древесины. Для борьбы с «вредной» смолой применяют тальк, который адсорбирует гидрофобные частицы смолы, или диспергаторы, предотвращающие агломерацию частиц смолы.

выводы

Таким образом, использование химикатов неуклонно возрастает вследствие необходимости повышать производительность БДМ, качество бумаги и контроль за сточной водой. Химические добавки становятся более специфичными, т. е. применяются для достижения определенных целей. Совокупность используемых химикатов должна быть подобрана для определенного вида бумаги и является специфичной для каждой бумажной фабрики.

В области отделки бумаги в последние годы наметилась тенденция включения в состав сушильной части БДМ таких агрегатов, как устройства для мелования, «мягкие» каландры и суперкаландры. Основное преимущество таких конструктивных решений заключается в существенном сокращении производственной площади с соответствующей экономией капитальных затрат на строительство бумажных фабрик.

Общей тенденцией в технологии печатных видов бумаги является рост использования минеральных веществ в качестве наполнителей и в со­ставе покровных смесей. Мировое потребление минеральных веществ в бумажном производстве составляет 20 млн тонн в год, что эквивалентно 7% общего объема производства бумаги и картона. Доминирующим минеральным компонентом бумаги остается каолин (10 млн тонн в год), однако его доля в общем потреблении минералов в бумажном производстве сокращается за счет роста объема потребления карбоната кальция вследствие его меньшей стоимости (в Европе) и диоксида титана (в Северной Америке). Применение карбоната кальция в составе меловальной пасты обеспечивает получение более прочной бумаги с более матовой поверхностью при проклейке в щелочной среде.

Мелование имеет большое экономическое значение, т. к. позволяет получить качественную готовую продукцию из более дешевых волокнистых полуфабрикатов. Состав меловального покрытия зависит от вида вырабатываемой бумаги и от способа его нанесения. Основным компонентом покрытия являются минеральные пигменты, их доля составляет 70−90%. В Европе для машинного мелования используют различные сочетания карбоната кальция с каолином.

Важным компонентом, составляющим от 16 до 20% массы пигмента, являются связующие вещества, в качестве которых применяются различные виды крахмала, латексы, поливиниловый спирт (ПВС), натрийкарбоксиметилцеллюлоза (NаКМЦ) и др. В состав покрытий обязательно входят небольшие добавки (0,1−0,5%) диспергаторов пигментов − полифосфаты, силикаты (жидкое стекло), защитные коллоиды, поверхностно-активные вещества (ПАВ), полиэлектролиты и пр.

Например, для производства газетной бумаги с улучшенными печатными свойствами используют введение наполнителя в количестве 7−10% или нанесение двустороннего мелованного покрытия с массой 7−14 г/м² на каждую сторону. При выработке легкомелованной рулонной офсетной бумаги преимущественно применяется комбинация природного карбоната кальция и каолина. Лекгомелованная бумага с массой 51−54 г/м² обычно содержит смеси пигментов в соотношении 20−60% карбоната кальция и 40−80% каолина при массе мелованного слоя 7−9 г/м² на каждую сторону. В случае получения легкомелованной бумаги с массой более 57 г/м² увеличивают долю карбоната кальция до 40−80% при массе покрытия 8−14 г/м² на каждую сторону.

Включение установок для мелования в состав БДМ стало возможным после разработки клеильных прессов валкового устройства пленочного типа, которые способны наносить покровную пасту одновременно на обе стороны бумажного полотна. В отличие от устройств шаберного типа, наносящих покровный слой на противоположные стороны полотна последовательно, данный способ существенно увеличивает компактность узла мелования и потому применяется при реконструкции действующих БДМ.

Первые валковые меловальные устройства были созданы в 1930−1950 годах. Однако их существенным недостатком было расщепление пленки покровного слоя при повышении скорости БДМ, поэтому они были вытеснены устройствами со скользящим шабером. Интерес к устройствам для мелования валкового типа возобновился благодаря созданию нового, более совершенного оборудования. Новые конструкции меловального устройства имеют два вала для одновременного нанесения покровного состава на обе стороны полотна. К каждому из них примыкает дозирующий вал, вращающийся со скоростью, отличной от наносящего вала, благодаря чему в пленке наносимого покровного состава возникают усилия сдвига, обеспечивающие стабильность пленки при высокой скорости.

профессор С. С. ПУЗЫРЕВ