李 龍 林曉林 張大坤
(上海煙草集團太倉海煙煙草薄片有限公司,江蘇太倉,215433)
“三分抄造,七分打漿”,抄造用漿料質(zhì)量對紙張品質(zhì)的影響顯著[1-3]。煙草原料纖維組分較少、薄壁細胞和雜細胞較多[4-5],盡管煙草原料與傳統(tǒng)造紙行業(yè)原料的結(jié)構(gòu)差異較大,但漿料處理方式卻一直延用造紙行業(yè)的磨漿機處理模式,存在較為顯著的矛盾問題。若煙草漿料打漿度高、濕重低,則細小組分多、基片勻度好,但可能會造成基片吸收性差,且抄造流失嚴重;若煙草漿料打漿度低、濕重高,則細小組分少、基片吸收性好,但可能導致不規(guī)則梗皮數(shù)量偏多,造成基片勻度差,影響抄造穩(wěn)定性[6-8]。如何在保證基片勻度的基礎(chǔ)上有效改善基片的吸收性,是再造煙葉行業(yè)一直探索和追求的目標。再造煙葉行業(yè)內(nèi)已對高濃制漿、低濃制漿、煙梗及煙末分開制漿與混合制漿工藝等[9-10],及打漿的關(guān)鍵設備(磨漿機、解纖機)[11-14]、控制參數(shù)(流量、濃度、頻率、功率、壓力等)開展了相關(guān)的摸索和實踐,但均無法有效解決基片吸收性與勻度之間的矛盾[15-17]。
目前,再造煙葉行業(yè)對中濃壓力篩應用和研究主要圍繞壓力篩運行調(diào)控[18]、漿料纖維分布及常規(guī)物理指標(松厚度、抗張強度等)變化規(guī)律開展,并未對漿料關(guān)鍵指標(打漿度和濕重)以及產(chǎn)品吸收性開展調(diào)控研究[19-21]。因此,為實現(xiàn)煙草漿料“低打漿度,高濕重”有效處理,需系統(tǒng)優(yōu)化中濃壓力篩在漿料制備工藝中的作用,聯(lián)合磨漿機協(xié)同弱化對漿料的處理強度,同時避免大尺寸梗皮進入成品漿料。本課題提出“打篩結(jié)合”的漿料處理模式(以下簡稱打篩模式),實現(xiàn)有效的“低打漿度,高濕重”處理,兼顧基片的勻度和吸收性等質(zhì)量指標,對于煙草薄片質(zhì)量的進一步提升具有十分重要的現(xiàn)實意義。
傳統(tǒng)磨漿機處理模式下,為保證漿料的勻度,需利用機械方式對漿料進行高強度的處理,這會造成漿料中組分的大量破碎,整體形態(tài)細小,不利于基片吸收性的改善。在打篩模式下,即采用“先粗打,后篩勻”的思路,其工藝流程如圖1所示,實現(xiàn)對煙草漿料(煙漿)纖維進行選擇性的調(diào)控?!跋却执颉保傅氖钦w下調(diào)漿料纖維受到的機械做功水平,采用輕處理的方式保持纖維長度,確保漿料“夠粗”;“后篩勻”,一方面指依托中濃壓力篩的選擇性篩選功能對粗渣進行有效攔截,被截留的粗渣回流后重新磨漿,通過篩縫的勻漿則作為良漿進入后道工序使用;另一方面是結(jié)合回流立管的“短流程瞬時摻配”功能,及時穩(wěn)量將粗渣進行回流混配,避免回流渣漿對中間漿罐內(nèi)物料的干擾和影響,進一步保障篩選后良漿的穩(wěn)定性。綜上措施結(jié)合必要的中濃壓力篩篩縫選型,最終實現(xiàn)煙草漿料的“既粗又勻”處理預期。
圖1 打篩模式工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of refining-screening mode
1.1 實驗原料
再造煙葉漿料(梗片比5∶5)、煙草薄片基片,基片定量(58±2)g/m2,均取自太倉海煙煙草薄片公司。
1.2 儀器和設備
雙盤磨漿機(DD500,山東晨鐘機械股份有限公司),外流式中濃壓力篩(WS81J,鄭州運達造紙設備有限公司,篩鼓篩寬0.55 mm,棒條寬度3.2 mm,開孔率15.4%),肖伯爾式打漿度儀(SR/P,巴西REGMED公司),紙張勻度測試儀(2D LAB,法國Techpap公司),質(zhì)構(gòu)儀(TA.XT PLUS,英國STA?BLE MICRO公司),透氣度測定儀(58-27-00-0002,美國TMI公司),接觸角測量儀(DSA100,德國KRUSS公司)。
1.3 實驗方法
將待測基片在溫度(22±2)℃、相對濕度(65±5)%條件下平衡48 h備用。
1.3.1 透氣性檢測
隨機取10張基片,用裁紙刀制作成10 cm×10 cm樣品。選用透氣度測試儀,逐一對10張樣品進行自動檢測,以10個檢測值的算術(shù)平均值作為透氣度的檢測結(jié)果。
1.3.2 勻度測定
隨機取10張基片,用裁紙刀制作成20 cm×25 cm樣品。選用紙張勻度測試儀,逐一對10張樣品進行自動檢測,以10個檢測值的算數(shù)平均值作為勻度的檢測結(jié)果。
1.3.3 表面摩擦力測定
隨機取樣5張,用裁紙刀制作成20 cm×25 cm樣品。選用質(zhì)構(gòu)儀,設置參數(shù)為:實驗速度2.50 mm/s,拉力100.0 N,實驗距離80.0 mm;逐一對5張樣品進行自動檢測,以5個檢測值的算數(shù)平均值作為表面摩擦力的檢測結(jié)果。
1.3.4 吸收性測定
隨機取樣,用裁紙刀制作成10 cm×10 cm樣品。選用接觸角測量儀,接觸角測量范圍0°~180°,分辨率±0.1°,光學放大倍數(shù)7倍,攝像系統(tǒng)50幀,吸收試劑為蒸餾水,步進體積0.5 mL,檢測樣品的吸收性。
2.1 中濃壓力篩生產(chǎn)運行調(diào)試參數(shù)
結(jié)合上海煙草集團太倉海煙煙草薄片公司實際生產(chǎn)運行需要,通過對壓力篩篩縫、篩選壓力、篩選濃度、篩選回流比等參數(shù)的不斷優(yōu)化,研究得到表1所示中濃壓力篩正常運轉(zhuǎn)的基本工藝參數(shù),后述涉及的磨漿功率與磨漿機臺數(shù)的調(diào)整均基于此中濃壓力篩參數(shù)。
表1 中濃壓力篩關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of medium concentration pressure screen
2.2 打篩模式下磨漿機工藝調(diào)整優(yōu)化
2.2.1 磨漿機功率優(yōu)化
表2為功率調(diào)整前后磨漿機關(guān)鍵工藝參數(shù)對比結(jié)果。在傳統(tǒng)打漿模式下,為避免漿料中不規(guī)則梗皮數(shù)量過多,需采用1臺一級磨漿機,2臺二級磨漿機串聯(lián)的組合形式保持功率穩(wěn)定,開展磨漿作業(yè),各磨漿機功率均穩(wěn)定控制在(126.0±3.0)kW范圍內(nèi)。采用打篩模式,在兼顧磨漿機有效運行的前提下,保持磨漿機數(shù)量不變,可將磨漿機功率下調(diào)至(117.0±3.0)kW范圍內(nèi)(降幅7.0%),漿料處理強度有效降低,其余參數(shù)變化詳見表2。
表2 功率調(diào)整前后磨漿機關(guān)鍵工藝參數(shù)對比Table 2 Comparison of key process parameters of refiner before and after power adjustment
表3為漿料過程指標對比結(jié)果。由表3可知,經(jīng)過中濃壓力篩的選擇性篩選,壓力篩出口良漿相比傳統(tǒng)成品煙漿,細小纖維比例和打漿度基本持平(降幅分別為3.4%和2.0%),濕重提升1.4 g(增幅50.0%)。表明僅降低磨漿功率,可在一定程度上避免纖維切斷,保留長度,但由于細小纖維會優(yōu)先通過篩縫進入壓力篩出口良漿中,而打漿度主要受細小纖維比例影響,故壓力篩出口良漿的打漿度會反彈提升,與傳統(tǒng)成品煙漿持平。濕重提升主要是由于輕打工藝降低了磨漿功率,磨漿強度降低,壓力篩入口漿料纖維變得粗長,此時的濕重5.5 g相對于傳統(tǒng)打漿模式下濕重2.8 g提升明顯,壓力篩篩漿后仍保持較高水平。
表3 漿料過程指標對比Table 3 Comparison of processing indicators of pulp
綜上所述,在打篩模式的基礎(chǔ)上降低磨漿功率,可以在穩(wěn)定打漿度水平的前提下提升濕重指標。
2.2.2 磨漿機臺數(shù)優(yōu)化
基于中濃壓力篩對大尺寸梗皮的有效篩選作用,打篩模式下大膽嘗試在保持功率一致的基礎(chǔ)上減少磨漿機臺數(shù),具體參數(shù)如表4所示。不同階段漿料指標變化見表5。由表5可知,傳統(tǒng)成品煙漿打漿度均值46°SR,濕重均值為3.1 g。打篩模式下壓力篩出口良漿打漿度相比傳統(tǒng)成品煙漿下降12°SR(降幅26.0%);壓力篩出口良漿濕重均值相比傳統(tǒng)成品煙漿提高1.0 g(增幅32.0%)。主要原因是磨漿機臺數(shù)減少后,漿料與磨盤接觸的次數(shù)顯著下降,漿料被機械反復搓揉的次數(shù)減少,細小纖維比例大幅降低(降幅47.6%),纖維平均長度變長(增幅15.0%)及大尺寸(>2 mm)纖維比例顯著增大(增幅164.2%),經(jīng)過中濃壓力篩的篩選,雖然細小纖維組分優(yōu)先通過篩縫,導致打漿度有所回升,但整體依然保持在預期水平。
表4 磨漿機臺數(shù)調(diào)整前后關(guān)鍵工藝參數(shù)對比Table 4 Comparison of key process parameters before and after adjusting the number of refiner
從穩(wěn)定性上來看,傳統(tǒng)成品煙漿的打漿度變異系數(shù)6.8%,濕重變異系數(shù)為6.0%,在保持功率前提下減少磨漿機臺數(shù),漿料處理強度大幅下降,壓力篩入口煙漿打漿度變異系數(shù)大幅上升至11.4%,濕重變異系數(shù)大幅上升至14.7%,漿料處于非常不均勻的狀態(tài)。經(jīng)中濃壓力篩的選擇性篩選,壓力篩出口良漿打漿度變異系數(shù)下降至7.1%,與傳統(tǒng)成品煙漿基本持平;濕重變異系數(shù)大幅下降至4.8%(降幅21.0%)。
綜上,采用打篩模式,在保持磨漿功率前提下減少磨漿機臺數(shù),可較好實現(xiàn)“低打漿度,高濕重”的漿料處理預期,且濕重穩(wěn)定性得到有效改善。
2.3 基片物理性能分析
2.3.1 透氣度分析
經(jīng)過對打篩模式的制漿工藝優(yōu)化,本研究基于表6的制漿參數(shù)生產(chǎn)制備了基片,并對不同打漿模式下得到的基片的物理性能進行對比分析。
表6 2種制漿模式下磨漿機關(guān)鍵參數(shù)對比Table 6 Comparison of key parameters of refiner under two pulping modes
基片的透氣度通過在單位時間、固定面積內(nèi)的空氣量進行衡量,透氣度越高,基片的孔隙率越大,對于涂布液的吸收和縱向遷移有一定的促進作用。圖2為2種制漿模式所得基片透氣度指標對比圖。由圖2可知,傳統(tǒng)打漿模式得到的基片透氣度為2300~2500 mL/min,而采用打篩模式得到的基片透氣度達4000~4200 mL/min,提升幅度達70.0%以上。結(jié)合表5分析,主要原因是打篩模式得到的漿料中細小纖維更少,均勻大尺寸纖維比例更高,抄造后所得基片纖維交織更加松散,孔隙中細小纖維減少,整體孔隙率提高。透氣度的顯著提升對于涂布液的滲透和吸收有較好的促進作用。
圖2 2種制漿模式所得基片的透氣度Fig.2 Air permeance of substrates prepared by two pulping modes
表5 不同階段漿料指標變化對比Table 5 Comparison of processing indicators of pulp
2.3.2 吸收性分析
圖3和圖4分別為接觸角檢測過程實拍圖和變化趨勢圖。由圖3可知,隨著時間的推移,液體逐步被基片吸收,液體與基片之間的內(nèi)夾角逐步減小并達到平衡狀態(tài)。由圖4可知,傳統(tǒng)打漿模式下基片的液體接觸角從95°降至50°,耗用時長16 s,變化速率2.8°/s;打篩模式下基片的液體接觸角從97°降至37°,耗用時長13 s,變化速率4.6°/s。相比傳統(tǒng)打漿模式,打篩模式所得基片的接觸角下降了26.0%,接觸角變化速率提升了64.3%,表明打篩模式得到的基片表面親水性更好,更有利于液體的潤濕與吸收。
圖3 接觸角檢測過程實拍圖Fig.3 Real-time shot of contact angle during detection pro?cess
圖4 接觸角檢測過程變化趨勢Fig.4 Variation trend of contact angle during detection process
2.3.3 勻度分析
勻度以勻度指數(shù)來表征,勻度指數(shù)基于比周長和對比強度的比值關(guān)系計算得出,即紙張中絮團尺寸越小,絮團分布越均勻,紙張的整體勻度越好[22-23]。
圖5為基片勻度指數(shù)統(tǒng)計對比結(jié)果。由圖5可知,打篩模式得到的基片,在各細分尺寸區(qū)間(除3~6 mm)的勻度指數(shù)均大于傳統(tǒng)打漿模式,尤其是0~1 mm和10~16 mm的分布區(qū)間,明顯高于傳統(tǒng)打漿模式下的基片水平,且打篩模式下的基片總勻度指數(shù)為372,相比傳統(tǒng)模式的341提升了9.1%,表明纖維絮團分布的填充程度得到一定提升。結(jié)合表5分析,絮團分布情況變化的原因是,打篩模式下細小纖維通過篩縫的優(yōu)先級較高,通過篩縫的小組分纖維比例提高,形成的絮團尺寸也相對較小,數(shù)量較多;“先粗打”的理念提高了漿料的大尺寸纖維比例,基片在脫水過程中形成了更多大尺寸絮團結(jié)構(gòu),但大尺寸勻度指數(shù)較低,對總體影響不大??傮w來看,打篩模式基片中的絮團尺寸更小,數(shù)量更多,對基片的填充效果更加充分均勻,基片整體勻度得到一定提升。
圖5 基片勻度指數(shù)統(tǒng)計對比Fig.5 Statistical comparison of uniformity index of substrate
2.3.4 表面摩擦力分析
2種制漿模式下所得基片的動摩擦力變化規(guī)律如圖6所示。從圖6可以看出,打篩模式下基片的動摩擦力顯著高于傳統(tǒng)打漿模式下基片的動摩擦力,間接反映出基片表面粗糙程度有所提升。表7為正、反面基片摩擦力的檢測結(jié)果。由表7可知,相比傳統(tǒng)打漿模式,打篩模式基片正面靜摩擦力可提升20.4%,動摩擦力提升18.0%;反面靜摩擦力提升11.0%,動摩擦力提升5.5%。主要原因是打篩模式的打漿度相比傳統(tǒng)打漿模式下降30.0%以上,漿料處理強度大幅下降,大尺寸纖維保留較多,纖維交織的孔隙率增加,暴露在基片表面的大尺寸纖維結(jié)構(gòu)增多,有效地提升了基片表面的粗糙程度和摩擦力。
圖6 2種制漿模式所得基片動摩擦力指標對比Fig.6 Comparison of dynamic friction index of substrates under two pulping modes
表7 摩擦力檢測對比Table 7 Comparison of friction detection
2.4 漿料處理成本分析
采用打篩模式的制漿能耗成本降低情況詳見表8。
表8 2種制漿模式能耗成本統(tǒng)計Table 8 Statistical data of energy consumption cost under two pulping modes
表8中制漿總功率、單日實際產(chǎn)量、年總生產(chǎn)日和年度制漿能耗成本的計算詳見式(1)~式(4)。
式中,P表示制漿總功率,kW;N1表示磨漿機臺數(shù),臺;P1表示磨漿機平均功率,kW;N2表示中濃壓力篩臺數(shù),臺;P2表示中濃壓力篩平均功率,kW;T表示單日實際產(chǎn)量,t;S表示紙機車速,m/min;N表示紙機幅寬,m;M表示基片定量,g/m2;L表示薄片含水率,%;D表示年總生產(chǎn)日,天;W表示年產(chǎn)量,t;Y表示年度制漿能耗成本,萬元。
通過表8及式(1)~式(4)的計算分析可知,按照年產(chǎn)量7500 t計算,采用打篩模式開展?jié){料制備,相比傳統(tǒng)打漿模式,其可降低能耗成本36.41萬元/a。
3.1 在“先粗打,后篩勻”的漿料處理模式下,優(yōu)化調(diào)整了磨漿機功率和臺數(shù),壓力篩出口良漿打漿度從46°SR降至34°SR,降幅26.1%,濕重從3.1 g提升至4.1 g,升幅32.3%,實現(xiàn)了“低打漿度,高濕重”的預期目標。
3.2 與傳統(tǒng)打漿模式下的基片相比,打篩模式下基片正面靜摩擦力從93 N提升至112 N,提升幅度為20.4%,透氣度從2300~2500 mL/min提升至4000~4200 mL/min,提升幅度超過70.0%,接觸角變化速率從2.8°/s提升至4.6°/s,提升幅度為64.3%,勻度指數(shù)從342提升至371,提升幅度為9.1%,這為進一步系統(tǒng)提升再造煙葉產(chǎn)品品質(zhì)奠定良好技術(shù)基礎(chǔ)。
3.3 按照7500 t的年產(chǎn)量計算,打篩模式相比傳統(tǒng)打漿模式,漿料制備能耗成本每年可降低36.41萬元,有力推動降本增效水平的提升。