Механическая древесная масса - полуфабрикат XXI века
Развитие технологии и оборудования, расширение производства и применения
Механическая древесная масса (МДМ) − волокнистый полуфабрикат высокого выхода, получаемый путем механической переработкидревесного сырья: истиранием балансовой древесины на дефибрерных камнях или разволокнением щепы, размолом и рафинированием древесных волокон в дисковых мельницах (рафинерах) с последующим сортированием, очисткой, переработкой отходов и отбелкой. Механическая древесная масса составляет более 20% общего объема производства волокнистых полуфабрикатов (более 40млн т/год), используемых в композиции бумаги и картона.
До конца 60-х годов XX века механическая древесная масса изготовлялась только традиционным дефибрерным способом.
В последние 35 лет быстрое развитие получило производство механической древесной массы из щепы на дисковых мельницах: термомеханическая (ТММ), химико-термомеханическая (ХТММ) и их модификации. Также применяется и современный способ производства дефибрерной древесной массы под давлением (ДМД).
Следует отметить ряд несомненных достоинств технологий, улучшающих бумагообразующие свойства и расширяющих производство и применение механической древесной массы:
- высокий выход из древесины (85−96%);
- получение высококачественного полуфабриката как из хвойных (ель, пихта), так и лиственных (осина, береза) пород древесины;
- возможность и целесообразность использования в качестве древесного сырья технологической щепы из отходов лесопиления;
- гибкость технологического процесса, позволяющая получать полуфабрикат с различными бумагообразующими свойствами на одном и том же оборудовании из разных пород древесины;
- расширение использования бессернистых реагентов при производстве полуфабрикатов из лиственных пород древесины;
- применение в качестве отбеливающих реагентов пероксида водорода и/или дитионита натрия при полном исключении хлорсодержащих реагентов;
- отсутствие газовых выбросов в атмосферу;
- создание замкнутых циклов водопользования;
- возможность получения в виде товарного полуфабриката;
- снижение содержания целлюлозы в композиции бумаги при замене дефибрерной древесной массы (ДДМ) на механическую древесную массу из щепы (термомеханическую древесную массу или химико-термомеханическую древесную массу);
- возможность производства бумаги для печати, в первую очередь газетной, из монокомпозиции (из 100% термомеханической древесной массы или химико-термомеханической древесной массы);
- значительно больше циклов рециркуляции данных полуфабрикатов по сравнению с целлюлозой;
- строительство высокорентабельных предприятий по производству механической древесной массы из щепы малой производительности (75−100 т/сутки);
- относительно низкие капитальные затраты и значительно более короткий срок строительства предприятий по производству механической древесной массы в сравнении с сульфат-целлюлозными заводами.
Отмечено:
- механическая древесная масса как компонент бумажного полотна обеспечивает его хорошее формование, непрозрачность и воздухопроницаемость, т.е. высокие печатные свойства;
- механическая древесная масса способна к многократной переработке:
- в виде исходного древесного сырья;
- в качестве компонента вторичного сырья − макулатуры;
- в виде биотоплива;
- распределение фракций механической древесной массы между различными слоями бумажного полотна позволяет улучшить такие важные показатели бумаги для печати, как гладкость и прочность поверхности, а также жесткость при изгибе. Использование тонковолокнистой фракции во внешних слоях, а грубоволокнистой− во внутреннем слое трехслойной бумаги улучшает и печатные свойства, и показатели механической прочности;
- пухлость механической древесной массы на 30−40% превышает пухлость целлюлозы и макулатурной массы.
- Несмотря на то что гибкость волокон механической древесной массы примерно в 3 раза ниже, чем целлюлозы, использование ее в композиции бумаги и картона позволяет получить на 10−20% больше (по площади) продукции при сохранении требуемой жесткости;
- благодаря высокому выходу и малому количеству отходов, производство механической древесной массы требует в 3 раза меньше затрат на транспорт по сравнению с производством целлюлозы и в 2 раза по сравнению со сбором и доставкой макулатуры;
- себестоимость механической древесной массы значительно ниже, чем целлюлозы, а в некоторых случаях и макулатурной массы.
Основными тенденциями развития современного производства механической древесной массы из щепы являются:
- увеличение мощностей дисковых мельниц по приводу до 32 МВт фирмой Metso Paper и до 28 МВт фирмой Andritz;
- сокращение УРЭ (удельный расход энергии) на производство путем разработки новых энергосберегающих способов − RTS фирмой Andritz и Thermopulp фирмой Metso Paper;
- применение третьей ступени механической переработки (размола) древесных волокон для повышения производительности установки или для улучшения бумагообразующих свойств механической древесной массы;
- использование на третьей ступени размола низкой концентрации массы для улучшения ее бумагообразующих свойств и снижения УРЭ.
В настоящее время изготовителями и поставщиками оборудования комплексных технологических линий по производству современных видов механической древесной массы, термомеханической древесной массы и химико-термомеханической древесной массы являются 2 фирмы − Andritz (Австрия) и Metso Paper (Финляндия). Компания Andritz присоединила к себе фирмы Sprout, Bauer, Hymac, Kverner. Компания Metso Paper создана в результате объединения фирм Sunds Defibrator, Tampella и Valmet.
В последние годы при строительстве и реконструкции предприятий, производящих современные виды механической древесной массы из щепы− термомеханической древесной массы/химико-термомеханической древесной массы, все чаше применяется технология и оборудование фирмы Andritz:
- на АО «Соликамскбумпром»;
- на АО «Волга»;
- на АО «Картонтара» (Майкоп);
- при проектировании предприятий в Беларуси и Эстонии.
Фирма Metso Paper поставила на ОАО «Светогорск» оборудование для производства 500 тонн в сутки беленой химико-термомеханической древесной массы из хвойной (ели) или лиственной (осины) древесины. Беленая химико-термомеханическая древесная масса будет производиться в товарном виде после аэрофонтанной сушки. Пуск данной установки намечен на 2007 год.
Имеются примеры, когда при выборе оборудования для предприятий по производству механической древесной массы используются наиболее прогрессивное и эффективное оборудование обеих фирм.
К новейшим разработкам фирмы Andritz относятся:
- создание высокоинтенсивной механической переработки (размола) древесных волокон путем сочетания повышенной скорости вращения дисков на обеих ступенях размола с использованием новых «рисунков» гарнитуры дисков рафинеров;
- внедрение системы предварительной трехступенчатой обработки щепы перед размолом;
- способ прямой выдувки массы из рафинера 1-ой ступени в рафинер 2-ой ступени размола с целью повышения давления в рафинере 2-ой ступени;
- создание аппарата, объединяющего дисковую мельницу и импрессфайнер (концепция RTFiberizer), который является последней разработкой в области размалывающего оборудования;
- эффективная трехступенчатая система отбелки механической древесной массы «Пероксид − пероксид − дитионит», позволяющая получить полуфабрикат максимальной белизны (~ 85% ISO);
- процесс производства механической древесной массы щелочно-пероксидным способом (P − RC APMP), включающий обработку щепы до высокой степени сжатия, за которым следуют пропитка пероксидом водорода и размол в дисковой мельнице, которая используется как смеситель. Отбелка механической древесной массы производится в башне при высокой концентрации.
Фирма Metso Paper разработала конструкцию и внедрила в производство рафинер типа R6P82CD с плоско-конической зоной размола, производительностью до 770 т/сутки термомеханической древесной массы для газетной бумаги и мощностью двигателя до 32 МВт, а также создала и внедрила новую конструкцию сегментов гарнитуры размалывающих дисков, снижающих УРЭ в процессе механической переработкидревесного сырья.
«Ахиллесова пята» технологии механической древесной массы − высокий УРЭ на производство: 600−3200 кВт·ч/т. На производство механической древесной массы расходуется около 24% общего расхода энергии ЦБП. При выработке 1000 кВт/ч электроэнергии в атмосферу выбрасывается до 580 кг CO. В то же время оценка производства механической древесной массы только по высокому УРЭ и большим выбросам CO в атмосферу является упрощенной и наносит определенный ущерб развитию данного способа производства волокнистых полуфабрикатов высокого выхода (ВПВВ).
Только 150−200 кВт·ч/т от общего УРЭ расходуется на транспорт щепы и массы, более 90% УРЭ при производстве механической древесной массы затрачиваются на механическую переработку: дефибрирование баланса, разволокнение щепы и размол древесных волокон и отходов сортирования. Рекуперация тепла, выделяющегося в процессе механической переработкидревесных волокон, позволяет лишь снизить УРЭ, но не решает проблему высокой энергоемкости производства механической древесной массы.
УРЭ на производстве механической древесной массы может быть несколько снижен за счет использования высококачественного сырья, контроля за технологическим процессом, подбора гарнитуры размалывающего оборудования и совершенствования технологии.
Существенное снижение УРЭ на производство механической древесной массы из щепы может быть осуществлено при применении технологии RTS или Thermopulp™. Новая технология термомеханической древесной массы − метод RTS − позволяет сократить УРЭ на производство механической древесной массы на 15−20% за счет увеличения скорости вращения дисков рафинеров − повышения интенсивности механической переработкидревесных волокон и температуры (обработке при значительном снижении ее продолжительности).
Фирма Andritz усовершенствовала технологии термомеханической древесной массы-RTS за счет дополнительной ступени предварительной пропарки щепы − метод РТ-RTS − и предложила дальнейшее сокращение УРЭ на производство термомеханической древесной массы при применении принципа RTS на второй ступени механической обработки (размола) древесных волокон − метод RTS-2.
Особенностью технологии Thermopulp™ является повышение температуры до 170°С и давления до 700 кПа перед 2-ой ступенью механической переработки (размола) древесных волокон. Экономия энергии при использовании данной технологии составляет 10−20%. Технология Thermopulp™ может быть использована при переработке отходов сортирования механической древесной массы.
Исследования в области биотехнологии показали дополнительные возможности снижения энергоемкости механической переработки щепы.
Обработка щепы грибами с последующей ее механической переработкой и отбелкой древесных волокон позволила на 30% снизить УРЭ при повышении прочности полуфабриката. Использование энзимов для обработки щепы требует меньше времени, чем обработка грибами. Обработка щепы грибами снижает УРЭ на ее механическую переработку на 4−10%.
Наряду с разработкой и внедрением энергосберегающей механической переработкидревесного сырья совершенствуются идругие операции технологического процесса: дополнительный размол, сортирование, фракционирование, очистка, переработка отходов сортирования и отбелка.
Проводится постоянная работа по совершенствованию «рисунка» гарнитуры для повышения эффективности механической переработки. Применение новых материалов увеличивает срок эксплуатации гарнитуры дисков рафинеров.
Увеличивается количество установок по производству механической древесной массы, в которых механическая переработка (размол) осуществляется при низкой концент-рации массы:
- при размоле отходов сортирования;
- на третьей ступени размола;
- при дополнительном («доводочном») размоле перед бумагоделательной машиной.
При сортировании механической древесной массы стали широко использоваться напорные сортировки с шлицевыми ситами.
Последним достижением в области сортирования является конструирование так называемых барьерных сортировок с очень узкими шлицами и высокой интенсивностью вращения ротора, использование которых значительно улучшает бумагообразующие свойства механической древесной массы.
Совершенствование техники сортирования способствовало получению механической древесной массы с высокими бумагообразующими свойствами и на ее основе бумажно-картонной продукции с улучшенными характеристиками. Кроме того, это дало возможность повысить долю механической древесной массы в композиции высококачественной бумаги для печати.
Фракционирование механической древесной массы после 1-ой ступени размола позволяет отделить грубую длинноволокнистую фракцию и дополнительно подвергнуть ее механической переработке − размолу. Другая часть механической древесной массы после 1-ой ступени размола уже обладает определенными бумагообразующими свойствами; нет необходимости ее дополнительно размалывать, и она может быть использована в производстве бумаги. Очевидно, что размолу подвергается не вся механическая древесная масса, это дает значительное снижение УРЭ на ее производство.
Для повышения качества механической древесной массы может осуществляться многоступенчатое фракционирование основного потока после двух ступеней размола; при этом также может выделяться длинноволокнистая фракция, которая дополнительно размалывается.
В последние годы наметилась тенденция исключения вихревых очистителей из технологического потока производства термомеханической древесной массы в связи с высокими эксплуатационными расходами и недостаточной производительностью систем очистки в условиях расширения производства. В то же время качество очистки массы значительно улучшилось при применении сортировок с узкощелевыми ситами. При расширении производства для сокращения затрат вместо вихревых очистителей устанавливают дополнительные сортировки и оборудование для сгущения массы.
Основным показателем, определяющим конкурентоспособность бумаги для печати, содержащей механическую древесную массу, является ее белизна. Наиболее распространенным способом повышения белизны бумаги для печати является отбелка механической древесной массы пероксидом водорода и/или дитионитом натрия. Для повышения белизны бумаги для печати с механической древесной массой могут быть использованы минеральные наполнители, отличающиеся высокой белизной и коэффициентом светорассеяния, в первую очередь карбонат кальция, при этом необходимо поддерживать величину рН при производстве бумаги как можно ближе к нейтральному значению. Достижение белизны механической древесной массы 80−85% ISO позволяет печатным видам бумаги на основе механической древесной массы успешно конкурировать с мелованной и немелованной «чистоцеллюлозной» бумагой.
Сообщается о внедрении отбелки механической древесной массы дитионитом натрия при средней концентрации, позволяющей снизить расход отбеливающего реагента.
В НИИ ЦБП Канады совместно с фирмой CUBA разработан новый способ сохранения белизны механической древесной массы и бумаги на ее основе в течение 600 и более дней, т.е. стабильность белизны механической древесной массы будет находиться на одном уровне с беленой сульфатной целлюлозой.
Важнейшим технологическим фактором, влияющим на бумагообразующие свойства механической древесной массы, является качество древесного сырья, во многом определяемое породой древесины. Основными породамидревесины, применяемыми при производстве механической древесной массы, являются ель, пихта и осина. В технической литературе встречаются данные об использовании сосны, березы, бука, клена, гимлока, эвкалипта, тополя и лиственницы.
Существенным фактором, сдерживающим применение древесины сосны при производстве термомеханической древесной массы, является более высокое содержание экстрактивных веществ (смол и жиров) по сравнению с древесиной ели. Как правило, древесина сосны не может применяться в количествах свыше 10% к общему объему древесного сырья. Применение древесины сосны для производства термомеханической древесной массы не только создает «смоляные затруднения», но и увеличивает УРЭ на производство полуфабриката при снижении прочности и белизны.
При производстве термомеханической древесной массы можно использовать до 100% щепы из отходов лесопиления, таким образом можно упростить работу лесной биржи и снизить производственные расходы.
До середины ХХ века механическая древесная масса из щепы, а также ДДМ использовались в композиции газетной бумаги или низших сортов типографской бумаги. Однако во второй половине ХХ века с разработкой и внедрением термомеханического способа производства бумагообразующие свойства полуфабриката значительно улучшились: повысились показатели механической прочности и белизна, что позволило использовать механическую древесную массу в композиции высококачественных видов бумаги для печати, санитарно-бытовой бумаги и некоторых видов картона.
До середины 80-х годов ХХ века доминирующим видом бумаги для печати, содержащей механическую древесную массу, в Канаде и США была легкая мелованная бумага (LWC), однако в 90-х годах она уступила свои позиции суперкаландрированной бумаге, содержащей механическую древесную массу в композиции (SC-A), и мелованной «чистоцеллюлозной» бумаге (CWF), т.е. содержащей не более 10% механической древесной массы.
В композицию газетной бумаги, вырабатываемой из термомеханической древесной массы, добавляли небольшое количество облагороженной макулатурной массы в качестве армирующего компонента. Сообщается об изготовлении газетной бумаги из 20−60% облагороженной макулатурной массы и 40−80% термомеханической древесной массы.
Еловая термомеханическая древесная масса белизной ~ 75% ISO используется в композиции высококачественного картона массой 200−420 г/м.
Будущее механической древесной массы представляется чрезвычайно перспективным: совершенствование технологии и использование высокоэффективного оборудования при ужесточении контроля за качеством древесного сырья и технологическим процессом производства данного ВПВВ позволяют улучшить его свойства и использовать механическую древесную массу в композиции бумаги для печати, изготовляемой на высокоскоростных бумагоделательных машинах с двухсеточным формующим устройством, безобрывной проводкой бумажного полотна через прессовую и сушильную части агрегата. Развитие офсетного способа печати дало возможность широко использовать данный полуфабрикат в композиции газетной бумаги пониженной массоемкости идругих видов бумаги для печати. Опыт работы предприятий показал, что у механической древесной массы имеются большие резервы для улучшения бумагообразующих свойств за счет применения химических реагентов на различных ступенях технологического процесса. Это подтверждается внедрением химико-термомеханического способа производства данного ВПВВ. Развитие технологии и разработка высокоэффективного оборудования для сортирования и фракционирования механической древесной массы обеспечивают практически полное отделение нежелательной составляющей массы − грубой длинноволокнистой фракции, которую после механической обработки смешивают с сортированной массой.
В самом ближайшем будущем одна высокопроизводительная линия по производству механической древесной массы, в первую очередь термомеханическая древесная масса, сможет обеспечить волокнистой массой современную высокоскоростную бумагоделательную машину.
Развитию механической древесной массы способствуют:
- разработка новых видов бумаги с целью повышения конкурентоспособности печатной продукции;
- использование нетрадиционных видов сырья;
- снижение энергоемкости производства.
Кроме того, расширяется механическая древесная масса (термомеханическая древесная масса из ели и химико-термомеханическая древесная масса из осины) в композиции упаковочных видов бумаги и картона совместно с макулатурной массой.
Производство механической древесной массы в ближайшем будущем станет наиболее чистым с точки зрения экологии процессом производства волокнистых полуфабрикатов за счет создания замкнутых циклов водопользования и использования в качестве источника энергии биологического топлива.
Не вызывает сомнений, что в ближайшие годы процесс производства механической древесной массы станет безотходным.
Объем производства механической древесной массы во многом зависит от экономического положения в мировом ЦБП. При экономическом спаде снижаются цены на беленую сульфатную целлюлозу, особенно лиственную, которую используют при производстве бумаги вместо механической древесной массы.
В то же время продолжает неуклонно увеличиваться производство термомеханической древесной массы в составе интегрированных предприятий, изготавливающих газетную идругие виды бумаги для печати. Несмотря на высокий УРЭ, термомеханическая древесная масса остается наиболее перспективным полуфабрикатом для производства газетной бумаги, т.к. позволяет изготавливать конечную продукцию из монокомпозиции, что значительно упрощает технологический процесс производства бумаги, исключает размольно-подготовительный отдел и оборудование по роспуску товарной массы, позволяет закрыть или перепрофилировать сульфитно-целлюлозные заводы; на производство 1 т термомеханической древесной массы требуются 2,5 пл.м древесины, что примерно в 2 раза ниже, чем для производства 1 т целлюлозы. Все вышеперечисленное позволяет изготавливать рентабельную высококачественную газетную бумагу при полном отсутствии экологических проблем и сбережении лесных ресурсов.
Капитальные затраты на организацию производства термомеханической древесной массы или химико-термомеханической древесной массы незначительно превышают капитальные затраты на создание ДМЗ с использованием дефибреров, но резко отличаются (в меньшую сторону) от создания целлюлозного производства.
На производство термомеханической древесной массы и химико-термомеханической древесной массы расходуется 2200−3200 кВт·ч/тпротив 1100−1200 кВт·ч/тдля производства ДДМ, т.е. в 2 раза больше.
Вместе с тем производство термомеханической древесной массы и химико-термомеханической древесной массы имеет повышенное (по сравнению с производством ДДМ и ДМД) содержание растворенной органики в сточных водах.
В технологическом процессе размола щепы на рафинерах получаются разбавленные стоки, которые содержат (в сравнении с дефибрерной массой) − 10−12 кг/т БПК:
- термомеханическая древесная масса − 25−35 кг/т БПК;
- химико-термомеханическая древесная масса − 50−70 кг/т БПК.
Этот показатель процесса требует либо развития внеплощадочных очистных сооружений, либо организации локальной очистки анаэробным методом, с выделением метан-газа и сжиганием его для получения тепла.
Несмотря на увеличение объемов переработки макулатуры и использования макулатурной массы в композиции бумаги и картона, спрос на химико-термомеханическую древесную массу, в том числе в виде товарного полуфабриката, остается достаточно высоким и определяется опытом потребителей по использованию данной массы для производства бумаги и картона.
БХТММ из древесины лиственных пород успешно используется в композиции высококачественной печатной, специальных видов бумаги, в бумаге-основе для мелования и наружных слоев коробочного картона.
Основными факторами, способствующими сохранению и росту спроса на беленую химико-термомеханическую древесную массу, являются:
- последние достижения в технологии бумажного производства (проклейка в щелочной среде, снижающая пожелтение бумаги в ультрафиолетовых лучах; исключение открытых участков передачи бумажного полотна на буммашинах; мягкое каландрирование, многослойное формование; двухслойные покрытия и т.п.);
- изменения в классификации видов бумаги: понятие «бумага без содержания механической древесной массы » или «чистоцеллюлозная бумага», ранее ограничивающее содержание механической древесной массы в композиции в количестве 10%, теперь заменяется ограничениями по содержанию лигнина, что открывает пути к использованию химико-термомеханической древесной массы из осины, поскольку содержание лигнина в ней составляет всего 16−17% по сравнению с 27−29% для химико-термомеханической древесной массы из хвойной древесины.
Предполагается, что объем производства современных видов механической древесной массы в ближайшие годы увеличится на 10%, при снижении объемов производства и закрытии предприятий по производству ДДМ. При этом следует учитывать, что УРЭ на производство термомеханической древесной массы и химико-термомеханической древесной массы в ближайшие годы может увеличиться на 20%. Возрастание УРЭ будет связано с тем, что степень помола полуфабрикатов, применяемых в композиции высококачественных видов бумаги для печати, повысится до 78°ШР (60 мл Кан. ст.) и даже до 88−92°ШР (20−30 мл Кан. ст.).
