竹材制浆技术发展现状

陈 彬

(中国制浆造纸研究院,北京,100020)

竹材制浆技术发展现状

陈 彬

(中国制浆造纸研究院,北京,100020)

重点分析了我国发展竹材制浆的意义和可行性;概述了竹材制浆造纸的历史和竹材制浆特性;总结了我国竹材制浆技术现状和相关研究情况,简单介绍了竹浆漂白技术,同时对发展我国竹材林基地建设提出建议。

竹材;制浆;漂白

2009 年,我国纸和纸板总产量达到 8640万 t/a,消费量达到 8569万 t/a[1],我国已经成为名副其实的纸和纸板的生产和消费大国。但是目前,我国纸浆总产量仅 6674万 t/a,且其中的 74%为废纸浆,原生浆只有 1735万 t/a。2009年,我国纸浆总消费量达7980万 t,其中进口原生木浆超过 1315万 t,同时进口废纸 2750万 t,折合废纸浆为 2200万 t[1]。我国造纸工业原料的对外依存度较高,原生浆的对外依存度达 75.8%,即我国优质浆料主要依赖进口,这将给我国造纸工业良性和稳定的发展带来隐患。因此,加快我国纸浆尤其是优质原生浆的生产步伐,提高我国纸浆的自给率将有利于保障我国造纸工业稳定快速发展。然而随着我国经济的稳健高速发展,我国的家具业和板材业等木材资源消耗的大户行业也迅速崛起,导致我国木材需求量与日俱增。同时,我国森林资源又极度贫乏,可用于工业生产的木材蓄积量有限,而其中可用于制浆造纸的木材资源更是日趋紧张。我国“第六次全国森林资源清查及森林资源状况”显示:我国森林覆盖率只有 18.2%,人均森林面积为 0.132 hm2,不到世界平均水平的 1/4,我国人均森林蓄积量仅为 9.421 m3,不足世界平均水平的 1/6[2],是世界人均森林蓄积量最低的国家之一;我国森林资源还存在分布不均,质量不高及经营管理水平落后的现象[2]。

与此相反的是,我国竹林面积位居世界第二,竹林产量位居世界第一,世界竹林总面积约 1400万hm2,而我国竹林面积达 500万 hm2以上,占世界竹林面积的 1/3以上[3-5]。全世界的竹类植物约有 70余属,超过 1000多种,我国拥有其中的 40余属,500多种。因此,充分利用我国丰富的竹材资源,针对性地进行制浆造纸开发利用,将有利于缓解我国造纸工业用纤维原料不足的紧张局势,进而降低我国造纸工业对外依存度,符合我国国情。

1 竹材作为造纸原料的发展

竹材是一种生态经济型产业资源,具有较高的经济价值和生态价值[6]。在我国,竹材主要分布于北纬 18°～38°和东经 92°～122°的区域内[7]。

我国是最早用竹材制浆造纸的国家,始于晋朝。至元明时期,竹材造纸已经十分兴盛;到 15世纪,当时南方各省的竹产地几乎都有竹纸的生产;到了清朝,竹材造纸得到了更进一步的发展,竹材已经成了当时制浆造纸的主要原料[8]。随着经济的发展和社会的进步,造纸原料逐渐多元化。机制纸诞生后,因木材原料易得,更适宜规模化生产等诸多因素,木材造纸原料占据了主要的地位,竹材不再是制浆造纸最主要的原料。但我国竹产区的制浆造纸企业始终以竹材作为其唯一或主要的制浆原料。而随着造纸产能的增长,林木资源日趋紧张,属短周期材的竹材用于制浆造纸又引起了人们的高度关注。目前,我国以竹材作为主要制浆原料的规模以上企业有:四川永丰纸业有限公司、四川金安浆业有限公司、广西柳江造纸厂、广东广宁鼎丰纸业有限公司、贵州赤天化纸业公司、福建邵武竹浆厂等。规划建设的竹材制浆造纸项目有:重庆龙璋纸业有限公司,泸州市纳溪区拟建年产 40万 t以上竹浆厂,泸州江门造纸有限责任公司项目,云南景洪市竹浆纸厂项目等[9-10]。

2 竹材制浆造纸特性

随着现代科技的进步,各种分析手段和仪器设备的完善,我国对竹材资源及其特性的研究更为全面和深入。研究发现,竹材的纤维素含量在 40%～60%[11],其性能可与部分木材纤维媲美。部分针叶木、竹材和阔叶木的纤维长度和宽度见表1[12]。

表1 部分针叶木、竹材和阔叶木的纤维长度和宽度

从表1可以看出,竹材纤维的平均长度介于针叶木纤维和阔叶木纤维之间,平均宽度与部分阔叶木纤维相当。许多造纸工作者的研究结果也印证了这一点:朱惠方等曾对我国的 33种竹材的纤维形态结构进行了全面的研究,其研究结果表明,竹材纤维长宽比大,纤维长度介于针叶木纤维和阔叶木纤维之间,且更近进于针叶木纤维[13];徐萃声则对数种丛生竹材的纤维形态和化学组成进行了较为细致的研究,认为丛生竹材造纸性能优良,是比较理想的非木材造纸纤维原料,除纤维长度介于针叶木纤维和阔叶木纤维之间外,竹材还适应于同其他阔叶木进行混合蒸煮制浆,竹子较长的纤维使得混合浆料的强度增加,并提高了混合黑液的燃烧性能,减少了硅干挠[14];中国制浆造纸研究院也曾对产自我国云南、贵州、重庆和四川及福建等省市的多种竹材资源进行了纤维形态和化学组成分析及制浆特性的研究,研究结果证实,竹材是优良的造纸用材,其材种不同,造纸特性略有差异,但竹材密度较大,通常在 (0.6～0.8)×103kg/m3间,竹材纤维的细胞壁较厚,其纸浆在使用过程中应因材而用。

3 竹材制浆、漂白技术

3.1 竹材制浆技术

由于原料适应广,黑液处理技术成熟,成浆性能优良,生产成本低,硫酸盐法制浆是竹材制浆中使用最为广泛的制浆方法[15]。对竹材的其他制浆方法也曾有过相关研究:李萍等对竹材的化学机械法制浆进行了研究[4];夏新兴等对竹材的磺化化机浆进行了相关研究[16];中国制浆造纸研究院曾对竹材的烧碱半化学法和 CT MP制浆方法进行了大量的研究。

目前,竹材的制浆蒸煮技术主要有传统的蒸球蒸煮、快速置换蒸煮 (RDH)、新型快速置换蒸煮技术(DDS)、改良的连续蒸煮技术 (MCC、EMCC、ITC和Lo-Solids Cooking)以及横管连续蒸煮技术等[15,17-19]。随着我国环境保护的加强和制浆企业的规模化以及深度脱木素技术的普及,竹材制浆的蒸煮技术逐渐向环境友好性强、能耗低、纸浆质量稳定、适应规模化生产的先进蒸煮技术发展,其中,DDS蒸煮技术备受推崇[15,17]。DDS蒸煮技术是由美国CabTec公司在原 Beloit公司的低能耗 RDH间歇蒸煮技术基础上研制开发的一种新的制浆技术。DDS技术除秉承了 RDH的优点,同时又对原 RDH技术进行了发展与升级:DDS技术原料适应性强,尤其适宜于竹材原料;制浆结束不再需要设置喷放热回收系统;更彻底的蒸煮过程减少了粗渣率;浆料的深度脱木素减少了漂白工序的药品消耗量与能耗;温和的蒸煮过程在降低成浆卡伯值的同时尽可能地保持了纸浆的高强度[15,17-19]。正由于上述的诸多优点,DDS蒸煮技术已成为我国以竹材为主要原料的生产企业的首选制浆技术。广东广宁鼎丰纸业有限公司、四川金安浆业有限公司、重庆理文造纸有限公司、四川永丰纸业有限公司和广东韶能集团珠玑纸业公司及江西赣州华劲纸业有限公司均采用了 DDS蒸煮技术[20]。

3.2 竹浆漂白技术

与我国竹材制浆技术相比,竹材化学浆料的漂白技术发展则更为迅速。竹浆的漂白技术大致经过了由最初的次氯酸盐单段漂白 (H)到经典的 CEH三段漂白,进一步发展至现在的无元素氯 (ECF)和全无氯 (TCF)多段漂白技术的演变过程[15]。目前,为了保护生态环境,降低漂白废水的污染负荷和漂白废水中 AOX的含量,传统的氯气和次氯酸盐漂剂已逐渐被淘汰,漂白流程中使用了更高效的二氧化氯(D)漂剂,以二氧化氯为主要漂剂的多段漂白流程也逐渐取代了经典的 CEH漂白流程[13,15]。为了进一步减少漂剂的用量,更多地脱除浆料中的残余木素,降低漂白前浆料的卡伯值,保证浆料得率,氧脱木素技术 (O)也被广泛运用于浆料漂白前工段。为进一步降低漂白流程中有效氯用量,提高浆料白度,污染程度更低、环境友好型的压力过氧化氢漂白技术(PO)得到了较快发展,并被成功应用[15]。曾经被认为成本高、产业化困难的臭氧漂白技术 (Z)在推崇无氯漂剂的今天也逐渐成为研究的热点[15,21]。在我国造纸工作者的努力下,相信不久的将来,臭氧漂白技术同氧脱木素技术一样可以成功运用于竹浆的漂白生产中。

提高我国纸浆漂白技术水平,使我国纸浆生产工艺更环保是造纸工作者的目标。近年,我国造纸工作者针对 ECF和 TCF漂白工艺技术做了大量的研究工作。徐萃声曾对硫酸盐竹浆的CEH、CEPH、(C+D)(E/O)HD和 O(C/D)EOD漂白流程进行了对比研究,研究表明,采用 CEPH、(C+D)(E/O)HD和O(C/D)EOD漂白代替 CEH漂白后,在保持相同纸浆白度的情况下,漂白过程的用氯量尤其是次氯酸盐的用量减少,而成浆黏度明显提高[14]。徐莉莉等对硫酸盐竹浆进行了 DEOPD漂白流程的研究,浆料最终白度达到 84.1%,黏度保持在 922 mL/g,返黄值只有 0.89,纸浆具有很好的强度[22]。劳嘉葆采用聚木糖酶对预处理后的硫酸盐竹浆进行 CDEHD漂白,认为酶的使用可以降低 24%的有效氯用量,降低纸浆返黄程度,增加纸浆强度[23]。黄六莲等对中小径竹材硫酸盐浆进行了 OD1EOD2、OD1EOPD2和 OXD1EOPD2流程的 ECF漂白研究,指出,经过优化上述各流程均能够得到白度大于 85%、黏度超过 800 mL/g的漂白竹浆[24]。詹怀宇等对取自四川永丰纸业有限公司的未漂竹浆 (黏度 1131 mL/g、白度 39.7%、卡伯值 10.5)进行了 DQP流程的漂白研究,结果证明,采用 DQP流程漂白能够得到黏度 899 mL/g、白度 83.7%、浆张裂断长 7.1 km、撕裂指数 14.3 mN·m2/g、耐破指数 6.1 kPa·m2/g的漂白竹浆[25]。杨玲对硫酸盐竹浆分别进行了 OAQP和 OAQPO短流程的 TCF漂白研究,指出,硫酸盐竹浆常规 H2O2漂白采用OAQP短流程 TCF漂白可以得到黏度为 879 mL/g、用 SBD测得的白度为 75.2%、卡伯值 5.7的漂白竹浆;硫酸盐竹浆氧加压的 H2O2漂白采用OAQPO短流程 TCF漂白可以得到黏度为 890 mL/g、用 SBD测得的白度为 83.6%、卡伯值 4.2的漂白竹浆[26]。中国制浆造纸研究院也曾对多种竹材的硫酸盐浆进行了如 O1O2EOPDPO、O1O2QPO1DPO2和O1O2EOPAPOD流程的 ECF漂白工艺研究和 O1O2EOPAPO、O1O2EOPZPO、O1O2Q1PO1Q2PO2和 O1O2EOPAPO1PO2流程的 TCF漂白研究,为我国竹材及其他材种化学浆的漂白积累了经验。

随着高效环保的制浆与漂白新技术的成熟以及我国造纸工业新排放标准的实施,我国竹材制浆造纸企业也开始使用新的制浆漂白技术或改进了其原有的制浆漂白工艺,降低了污染,减少了废水排放。四川永丰纸业有限公司、广西柳江造纸厂、广东广宁鼎丰纸业有限公司和四川金安浆业有限公司 (原雅安中竹纸业有限责任公司)及福建邵武竹浆厂等相继使用了二氧化氯代替传统的氯气进行漂白生产[11,13,27],实现了纸浆的 ECF漂白;新建的重庆理文造纸有限公司则采用了OODEOPD的漂白流程;我国规模最大的竹浆企业贵州赤天化纸业公司设计时就采用了 LECF技术,其二氧化氯用量仅有 0.005 t/t浆,漂白废水排放量≤7 m3/t浆[28],同时为进一步减排降耗,该企业正在尝试使用漂白流程为OOQ1OPQ2PO的 TCF漂白技术进行生产。企业的参与进一步加速了我国科研成果的产业化步伐,进而推动了我国纸浆漂白技术的更快发展。

4 竹材林基地建设的建议

以竹材作为生产原料的企业需要重视原料基地的建设和管理,因为竹材不同于木材或其他禾草类原料,竹材通常为丛生,竹材的生长特性决定了竹林基地的建设模式与木材或其他禾草类的不同。笔者认为,竹林基地的建设不宜采用纯粹的“公司加农户”的方式,更不建议像麦草一样进行散收。多年以前,笔者亲历了种植竹材、砍伐竹材和销售竹材的全过程,对竹材的种植、砍伐运输和出售各个环节都有较为深刻的体会,以下体会供同仁参考:①竹材的种植。竹材的种植管理是一个技术活,需要管理者尽职尽责。竹材发笋通常是从根部的侧上部出来,所以竹材种植时需要深埋其根部,而且需要年年堆土堆肥,才可以保障竹材的高出笋率和竹笋的高成活率及成竹的粗壮高大、高产。②竹材的砍伐。竹材的砍伐不像麦草、稻草、棉秆和芦苇等非木材纤维原料的收割,竹材的砍伐具有任意性,选择性[29]。因此,竹材的砍伐要求采伐人员具有一定的专业知识和敬业精神,能够做到间伐的同时不对未砍伐的成材、嫩竹、竹笋等造成破坏。③竹材的收购。竹材的收购是对进厂原料的把关,将直接关系到生产原料的纯度和品质。然而从竹农手里散收的竹材原料往往混有较大比例的嫩竹和未熟材及过熟材,有时还会混杂有变质材或其他非竹类原料,甚至可能存在其他非纤维性物质,而生产原料的较大差异将影响制浆过程及成浆质量,并导致生产成本的增加。

目前,竹材的种植和采伐运输及收购各个环节都存在不规范的地方。为了保证原料的高品质和原料的稳定供给,降低原料环节成本,保障生产,建议企业通过相应的方式进行规范化操作,并招用专业人员管理竹林基地和采伐竹材,不轻易散收民间竹材原料。

5 结 语

我国纸浆尤其是原生浆主要依赖进口,发展自制浆可以降低我国纸浆的对外依存度。然而,我国木材纤维资源匮乏,大力发展木材资源制浆造纸条件不成熟。我国拥有丰富的、造纸性能良好的竹材资源,科学合理地将我国的竹材资源用于制浆造纸可以缓解我国制浆原料短缺的局面,进而提高我国纸浆的自给率,符合我国国情和我国造纸工业的产业政策。

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Current Status and Development of Bamboo Pulp ing&Papermak ing Technology

CHEN Bin
(China National Pulp and Paper Research Institute,Beijing,100020)

The significance and the feasibility of pulping&papermaking with bamboo were introduced in this paper.The features and the technologies of bamboo pulping&papermakingwere reviewed.The oxygen delignification and ozone bleaching technologies of bamboo kraft pulp were involved in this article.This paper also refers to the advice for building the bamboo forest.

bamboo;pulping;bleaching

TS721+.2

A

0254-508X(2010)12-0062-04

陈 彬先生,工程师;主要从事制浆、漂白及相关技术的研究。

(E-mail:apmp@163.com)

2010-08-23(修改稿)

(责任编辑:陈丽卿)