合理利用禾草类纤维造纸的理论与实践

因此 ,中国林纸一体化工程实施 ,应该结合 中国国情 ,有许多规律性的问题仍需要认真研 究 ,从政府到企业仍需不断做更深入细致的工 作 。从目前的状况看 ,在近期之内 ,林纸现代化 工程尚难以提供足够的木材纤维资源以满足提
李忠正 /合理利用禾草类纤维造纸的理论与实践
高国产木浆比重的需求 。
3 中国纸业的发展离不开非木材纤维资源
(3) 制浆工艺和黑液提取流程与装备的改 进使提取率达到 85 %以上[4] ,为提高碱回收率 打下了基础 ;
(4) 麦草黑液碱回收率达到 75 %以上 ; (5) 许多企业采用了多段逆流洗涤 、全封闭 热筛选 、水循环等技术 ,使 t 浆水耗由最初的 300m3 降到 110m3 以下 ;有些企业的废水排放 CODcr 已达到 100～120mg/ l ,基本解决了环境 污染问题[5] ,当然为此也付出了一定的代价 。 但是这些进展与现代木材制浆的技术水平 还相差很远 ,如果我们将目前木浆的水平与草 浆比较一下就可以看到这种差距之大 ( 见表 1) 。 中国草浆的发展的最大障碍是环境污染 , 解决这个问题要在许多层面上下功夫 ,其中包 括企业结构调整 、管理创新 、技术装备更新 、金 融业支持和技术创新等 。
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江苏造纸 2007 年第 1 期 专 论
表 1 草类制浆与木材制浆主要污染指标的比较
黑液提取率/ % 碱回收率/ %
麦草浆3
75～85
65～80
A PP 金海浆纸
98
98
耗水量/ m3/ t > 110 181 2
注 : 3 为一般平均水平
35
50
黑液提取率/ % 75～80 80
碱回收率/ %
60
65
75 100 200
80
85
90
72
74
80
草浆生产要现代化 ,要有较强的国际竞争 力 ,必须扩大生产规模 ,向 30 万 tp y ,甚至更大 规模的方向发展 。
第二 ,建立现代化的原料供给体系 。为此 , 首先应使原料的供应方式现代化 ,即造纸企业 要参与农业现代化建设 ,与农业现代化生产方 式结合起来 ,使收割 、脱粒 、打包 、运输现代化 、 机械化 ,增加原料收集的经济半径 。实施“农纸 一体化”工程 。
表 5 草类纤维中的非纤维细胞组份
试 样 非纤维细胞面积/ % 薄壁细胞面积/ %
马尾松
1. 5
1. 5
桉树
17. 6
5. 0
竹
31. 2
23. 7
稻草
54. 0
46. 5
麦草
35. 3
32. 5
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图 1 麦草纤维细胞和薄壁细胞脱木质素动力学比较
表 6 麦草纤维细胞浆与薄壁细胞浆漂白性能比较
试样 纤维浆
化学成分/ % 灰 份 1 %NaO H 抽出物 戊聚糖 综纤维素 总木质素
表 3 麦草全杆各部位化学组成
茎基部 茎中部 茎梢部 鞘
叶
5. 93 6. 19 7. 19 11. 34 12. 06
36. 42 37. 19 43. 6 47. 28 52. 97
23. 28 23. 20 24. 66 25. 56 19. 21
主要表现在 :由于原料收集方式落后 ,其收 集经济半径和运输的限制 ,草浆厂的规模一般 都比较小 ,因而其技术落后 ,设备简陋 ,原材料 、 能源消耗高 ,劳动生产率低 ,产品质量差 ,市场 竞争能力低 ;其二是环境污染严重 ,由于草类原 料的特性不同 ,木材制浆行之有效的碱回收系
统 ,对草类制浆 (特别是规模较小的企业) 则效 率低下 ,难度较大 ,适合于中小型草浆厂制浆废 液回收治理的技术和装备还不成熟可靠 ,且由 于碱回收投资较大 ,很多中小企业难以承受 。 而禾草类纤维制浆黑液的资源化技术也没完全 过关 ,有些研究成果技术经济可行 ,但市场开发 还需有一个过程 。就造成了当今草浆生产厂家 是中国造纸业的主要污染源的现状 。这些都成 为扩大禾草类纤维原料制浆造纸产量的重要障 碍 ;第三是适合于草浆生产的各种专用设备极 待开发 。
由表 3 和表 4 可见 ,鞘 、叶 、穗部的灰分 , 1 %NaO H 抽提物和戊聚糖含量都高于茎杆 部 ,特别是灰分比茎杆部多 5 个百分点 (不包括 夹带的泥沙) ,抽提物多出 10 个百分点 ,而综纤 维素含量却远低于茎杆 ,而且纤维细胞比茎杆 部要短且粗 ,可见这一部分制浆时 ,纸浆得率 低 、碱耗大 ,并对造纸有害 。所以加强草类纤维 制浆过程的备料是获得优质纸浆和低灰分 、低 黏度黑液的关键工序 。
以稻 、麦草为代表的非木材纤维生物结构 和化学结构与木材有太多的差异 ,从而造成非 木材纤维制浆工艺与方法 ,以及废液处理等一 系列特殊性 。了解非木材纤维生物结构和化学 结构与木材的差异对解决草类纤维制浆的难题 是十分重要的 。这种差异主要表现在 :
(1) 生物结构的不均匀性及其表现在制浆 过程中的差异 ;
随着国民经济的发展 ,我国纸和纸板需求 量于 2010 年将达到 8000 万 t ,如果平均 t 纸消 耗 4～5m3 木材 、木浆比例达到 40 %(其中一半 靠进口) ,则届时需要 01 64～01 8 亿 m3 木材 , 大概需要 41 5～51 6 亿亩林地 ,根据国家林业局 第六次全国森林资源清查结果 ,目前我国人工 林面积仅为 71 95 亿亩[1] 。目前世界造纸工业 用材占总采伐量的比例为 141 4 %[2] ,按照这个 比例考虑 ,我国可用于造纸工业的用材量将远 远不足 。而另一方面 ,我国有足够的禾草类纤 维资源 ,长期以来 ,积累了丰富的禾草类纤维制 浆造纸的经验 。事实证明 ,草类纤维原料在中 国纸业中将继续发挥举足轻重的作用 。据中国 造纸协会的数据 ,2004 年在国家已关闭了数以 千计小草浆厂的同时 ,仍然生产了 1180 万 t 非 木材浆[3] 。可以预见 ,中国的非木材纤维浆的 产量仍将以缓慢速度增长 。
第三 ,进一步加强黑液碱回收系统研究 ,大 幅提高碱回收效率 。解决草类制浆的污染问 题 ,黑液碱回收是关键 ,必须大幅提高碱回收水 平 。其奋斗目标应该是 :
黑液提取率达到 95 %左右 ;碱回收率达到 90 %以上 ,才能基本接近木浆黑液碱回收水平 和木浆废水排放水平 。
6 草类纤维制浆的特点
71. 24 69. 92 69. 90 69. 86 60. 95
22. 96 21. 71 20. 41 18. 39 17. 48
穗 9. 82 49. 42 26. 03 64. 52 19. 50
全草 8. 28 42. 59 24. 04 68. 12 20. 75
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表 4 麦草全秆各部位的纤维形态
部位 重均纤维长/ mm 纤维长宽比 壁腔比
茎基部
1. 85
103
1. 67
茎中部
1. 69
104
1. 61
茎梢部
1. 29
93
1. 11
鞘
1. 36
90
1. 19
叶
1. 05
73
0. 95
穗
0. 80
42
0. 66
节
0. 82
37
0. 83
此外 ,草类纤维中的非纤维细胞 (包括薄壁 细胞) 的含量远大于木材 (见表 5) ,这是造成草 浆滤水性差 ,纸页表面强度低的根本原因 。而 且薄壁细胞在制浆过程中脱木质素速率低 ,脱 木质素困难 (图 1) 。
(2) 草类纤维木质素结构的特性造成草类 纤维与木材制浆过程的不同 ;
(3) 禾草类木质素在纤维细胞壁中分布特 征 ,造成草类纤维与木材制浆脱木质素局部化 学特性差异 ;
(4) 草浆蒸煮黑液的物理化学特性 ,造成草 浆黑液碱回收困难 。 61 1 麦草生物结构的不均匀性
禾草类纤维秸杆全杆中的节 、鞘 、叶 、穗约 占总量的 49 % ,茎杆部仅占一半左右 。全杆各 部位的纤维形态和化学组成都是不同的 。
5 进一步发展非木材纤维造纸的对策
近年来经过全国企业界 、科技界的共同努 力 ,为解决草类纤维制浆的关键问题取得了一 些可喜的成果 ,主要有 :
(1) 麦草制浆流水线的规模已达到 10 万 t 以上 ;
(2) 麦草干湿法备料技术和装备已成熟 ,为 后续制浆和黑液提取 、碱回收系统效率的提高 发挥了重要作用 ;
我们清醒的看到 ,我国纸业可持续发展还 面临许多困难和问题 ,其中困扰我们的主要瓶 颈是 :纤维资源贫乏 :环境污染严重和资金不足 三大问题 ,特别是纤维资源短缺 ,已成为我国纸 业可持续发展最大的问题 。
2 关于中国的林纸一体化
要逐步实现以木材纤维为主的多元化原料 结构 ,实施林纸一体化是重要战略措施 ,这是中 国造纸业以沉重的代价换来的宝贵经验 。
4 中国非木材纤维制浆何以不能得到快速发展
中国的禾草类木材原料制浆历史悠久 ,是 世界非木材纤维造纸产量最多 、经验最丰富的 国家 。禾草类制浆造纸在中国造纸业发展史上 发挥了极其重要的作用 ,曾经一度达到纸浆产 量的 85 %以上 ,构成了具有中国特色的传统造 纸工业 。
改革开放二十多年来 ,随着社会主义市场 经济的发展 ,社会对环境意识的增强 ,禾草类制 浆造纸的问题和矛盾就逐渐明显暴露出来 。
氯耗/ %
首先 ,要进一步扩大草类原料制浆造纸的
生产线规模 ,规模经济理论告诉我们 。生产规
模与现代化装备和技术 、自动化水平 、劳动生产
率水平 、环境污染治理水平和企业管理水平有
密切的相关性 。以生产规模与碱回收系统水平
的关系为例 (见表 2) 。
表 2 草浆企业规模与碱回收系统指标
工厂规模/ tpd
我国是森林资源贫乏的国家 ,人多地少 ,经 过多年的努力 ,我国的森林面积已达 11 75 亿 hm2 ,覆盖率增加到 181 21 % (根据第 6 次全国 森林资 源 清 查 结 果) , 森 林 蓄 集 量 1241 56 亿
2
m3 ,但人均森林面积仅 01 132hm2 ,不到世界水 平的 1/ 4 ;人均森林蓄集量 91 421m3 ,不到世界 水平的 1/ 6[1] 。大 力发 展人 工速 生丰 产 造 纸 林 , 实施林纸一体化是解决我国纸业增加木浆 比重的主要途径 。经过近二十年的努力 , 林纸 一体化已成为国家产业政策的组成部分 , 国家 为此采取了一系列优惠政策和措施 , 推进了林 纸一体化工程项目的实施 , 在一些地方取得了 可喜的进展 。但是事实证明 , 林纸一体化的实 施是一项复杂的工程 , 牵涉到地方土地规划 、 林业生态效益与经济效益的平衡 、国家和地方 的林业政策 (如林权 、林木采伐权等) 、税收 , 地方政府利益 、林农利益 、造纸企业利益的分 配 , 林纸现代化管理模式 , 以及林业技术与管 理等诸多问题 。我国是一个人口众多 , 可耕地 少的国家 , 在哪些地区可以大力发展林纸一体 化项目 , 能发展多大规模 , 哪些地区难以发 展 , 都需有一个具体的规划与安排 , 应该因地 制宜 , 实事求是 , 以务实的精神认真研究 , 决 不可一轰而上 。
江苏造纸 2007 年第 1 期 专 论
合理利用禾草类纤维造纸的理论与实践
李忠正
(南京林业大学 ,南京市 ,210037)
摘 要 讨论了中国造纸原料的现状和问题 ,合理利用草类原料的必要性 。进一步扩大利用草类原料的问题 和对策 。论述了草类纤纤性与木材的差异以及造成其制浆造纸工艺与方法等一系列特殊性 ,这种差异主要表现 在 :禾草类纤维生物结构和化学组成的不均匀性造成其制浆过程和产品的特殊性能 ;草类纤维木质素结构的特性 , 造成草类纤维的制浆过程与木材制浆的差异 ;草类木质素在纤维细胞中分布特征 ,造成草类纤维与木材制浆脱木 质素局部化学特性差异 ;草浆蒸煮黑液的物理化学特性 ,造成草浆碱回收困难 。
关键词 禾草类 纤维特性 制浆造纸 理论与实践 问题和对策
1 前言
在我国国民经济持续稳定增长的大好形势 下 ,我国造纸工业也保持了连续稳定的增长 ,市 场需求不断扩大 ,进口量持续增加 ,投资环境不 断改善 ,外资企业不断涌入 ,形势一片大好 。在 这种形势下 ,我国造纸业如何树立科学发展观 、 走可持续发展的循环经济之路 ,是摆在纸业界 面前的重大课题 。