將禾杆加工成紙漿的方法以及由該方法獲得的紙製品的製作方法
2023-04-25 12:34:31
專利名稱：將禾杆加工成紙漿的方法以及由該方法獲得的紙製品的製作方法
發明
背景技術：
領域本發明涉及將木素纖維預加工和加工成紙漿的方法。
背景信息人們對將非木纖維素纖維摻合到紙製品中具有越來越大的興趣。有巨大量的非木纖維用於紙漿生產中。據估計，全世界每年的禾杆產量接近500,000,000噸。只有大約一半的量用於低價值的用途，例如建築材料，燃料，和家畜飼料。其剩餘量的大多數被沒有經過能量回收的燃燒而浪費，或者被犁回地中。但是，由於銷路好的最終產品要求具有有效的強度、耐久性和亮度，使禾杆加入紙中受到限制，只能將少量從禾杆獲得的紙漿加入到該產品中。
1977年頒發給Emerson的美國專利USP4,040,899中試圖尋找禾杆漿在紙中的用途。Emerson教導將纖維纏繞和捲曲到捲筒紙中。
由Interscience Publisher公司於1952，1960年出版的《Pulp andPaper》中有如下描述「禾杆通過化學方法或者通過被稱為機械-化學方法的機械方法與化學方法的結合而被漿化。用於漿化禾杆的各種化學物質有(1)氫氧化鈉，(2)單獨的石灰或者石灰與其它鹼的結合，(3)亞硫酸鈉加其它的鹼，(4)氯，和(5)氫氧化鈉加亞硫酸鈉(亞硫酸鹽工藝)。其它被建議用於禾杆的漿化的化學物質有硝酸和亞氯酸鈉。碳酸鈉加硫磺被建議用於用作皺紋紙的粗紙漿(禾杆牛皮紙)的製備。有四種基本工藝用於製造高等級可漂白禾杆紙漿(1)蘇打工藝，(2)硫酸鹽工藝，(3)亞硫酸鹽工藝，和(4)Pomilio氯工藝。蘇打工藝和硫酸鹽工藝能生產優良的紙漿，但產率較低。」本發明的公開本發明提供一種用於漿化禾杆屑並形成有用的副產物的方法。該方法是將禾杆屑與蒸汽和水混合形成一種混合物。將該混合物暴露在足以有效軟化該禾杆屑的溫度和壓力下，當壓力急劇降低時便形成禾杆紙漿、木質素和半纖維素。將該混合物洗滌以將木質素和半纖維素與禾杆紙漿分離，從而形成被稱為紙漿黑液的，水、木質素和半纖維素的有用副產物，並將其通過一個機械均漿機。
在將禾杆屑、蒸汽和水的混合物暴露在足以有效軟化該禾杆屑的溫度和壓力下，當壓力急劇降低時形成禾杆紙漿、木質素和半纖維素之前，該禾杆屑可以與一種腐蝕劑混合。該腐蝕劑在混合物中可以以大約小於2重量％的量存在。優選的是該腐蝕劑在混合物中以大約小於0.5重量％的量存在。該腐蝕劑可以含有氫氧化鈉。該腐蝕劑也可以含有氫氧化鉀。
在本方法的一種形式中，所述混合物可以在當壓力急劇降低時足以有效軟化該混合物的溫度和壓力下暴露大約2.5分鐘至大約8分鐘。
在本發明的另外一種形式中，至少大約70重量％的禾杆屑形成禾杆紙漿。
在本發明的另外一種形式中，所述當暴露在急劇降低的壓力中時足以有效軟化禾杆紙漿的壓力在大約140psig至大約200psig之間。
在本發明的另外一種形式中，纖維屑可以選自非木纖維如黑麥草，小麥，和谷與穀類植物禾杆的混合物。
用於本方法的禾杆屑可以通過剁碎禾杆形成禾杆屑、粗粉、灰分和粗砂石的混合物，並篩分該混合物以將主要組分禾杆屑與粗粉、灰分和粗砂石分離而形成。粗粉、灰分和粗砂石可以用作動物飼料。在本發明的一種優選的形式中，粗粉、灰分和粗砂石可以與紙漿黑液副產物混合形成動物飼料。
由本方法形成的禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(Canadian Standard Freeness)。
本發明也提供一種由木紙漿和禾杆紙漿製得的紙製品，其中的禾杆紙漿通過將禾杆屑與蒸汽和水混合形成禾杆屑、蒸汽和水的混合物而製得。該混合物被暴露在當壓力急劇降低時足以將禾杆屑有效軟化成禾杆紙漿的溫度和壓力下。然後將該混合物淨化並將禾杆紙漿的主要組分與該混合物分離。可以從加工的消費廢品中得到部分木紙漿和紙製品。
禾杆屑可以通過剁碎禾杆形成禾杆屑、粗粉、灰分和粗砂石的混合物，並篩分該混合物以將主要組分禾杆屑與粗粉、灰分和粗砂石分離而形成。
在本發明的另外一種形式中，禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至大約21之間的STFI。
通過下面的實現本發明的最好方式的詳細描述，本發明的這些和其它的優點和特徵將更清楚。
附圖的簡要說明在附圖中，同樣的單元命名涉及在各處的各個視圖中的相同部件，並且
圖1為黑麥草植物的斷面圖；圖2為按照本發明方法構造的預加工車間的流程圖；圖3為按照本發明方法構造的漿化車間的流程圖。
實現本發明的最好方式本發明提供一種用於預加工和加工各種木素纖維素源材料的改進方法。合適的木素纖維素材料包括非木纖維如谷與穀類植物禾杆，以及玉米秸杆。但是，已經發現本發明方法特別適用於得自草和禾杆的木素纖維素材料，如一年生黑麥草、羊矛、和小麥。此處所說的禾杆屑可以指得自任何非木纖維如谷和穀類植物禾杆，草和玉米秸杆的屑。但是為了簡單起見，所有這些屑都將稱之為禾杆屑。
首先參見作為例子的圖1，黑麥草植物10在土壤12中生長。黑麥草植物10具有保持在穗16中的種子或內核14，在接合點或節20之間的空心莖或結間部18，以及廣泛分支的纖維狀根系統22。在莖18上形成葉鞘部分24並且葉26附在莖18上。
在收割期間，將黑麥草植物10從離地面大約3至6英寸處，一般位於第一接合點或節20之下割下或刈下。然後將割下的黑麥草植物在田地中放置曬烤幾個星期。可以用聯合收割機從割下的植物收割種子或內核14。在用聯合收割機除去種子或內核14後，將餘下的黑麥草植物，一般稱為禾杆30，丟放在地面。可從田地中回收禾杆30並在進一步加工前捆包儲存。
參見用於預加工的圖2，禾杆30被送入到桶狀研磨機28中。該禾杆30可以以捆包的形式送入到桶狀研磨機28中。桶狀研磨機28將捆包打散並將禾杆切成長度大致平均為1英寸的碎段。當切碎的禾杆32退出磨34時，該切碎的禾杆32包括節20，葉26，葉鞘部分24，和結間部18，以及灰分、矽石，和粗砂石。
切碎的禾杆32退出研磨機28後被送入磨34中，將切碎的禾杆32進一步切碎成長度大致平均為半英寸的碎段。該磨34將大部分的節20，葉26，和葉鞘部分24研磨成粉末。
如果磨34的容量不允許切碎的禾杆32直接從桶狀研磨機28送入磨34中，可以將切碎的禾杆32在被送入磨34之前在儲存罐35中儲存。
在退出磨34後，將已研磨的混合物36通過多層篩37。通過將已研磨的混合物36通過多層篩37，將粗粉38逐出並與禾杆屑40分離。粗粉38包括非纖維顆粒和富含矽石和粗砂石的灰分。該粗粉38可以用作餵養家畜的農副產品。
然後準備將禾杆屑40加工成紙漿。禾杆屑40在進一步加工之前可以儲存。另外，如果進行紙漿加工的地點離禾杆屑40預加工的地點相距遙遠，可以將禾杆屑40通過任何用於運輸體相材料的方式例如通過使用貨櫃進行運輸。
參見用於將禾杆屑40加工成紙漿的圖3，禾杆屑40被送入混合器42中，在此與蒸汽和水44以及任何的腐蝕劑或消化助劑46混合。消化助劑46的用量典型的是以每個進入體系中的幹禾杆屑的量為重量基準進行計算。該漿化過程可以引入一個標準，使得進入體系中的禾杆屑40可以計重並且消化助劑46的量可以控制在合適的比例。
優選的是，與蒸汽和水44以及禾杆屑40混合的消化助劑46的量在大約0至大約2.0重量％之間。但是更優選的是，消化助劑46的量在大約0至大約0.5重量％之間。用於本發明的合適的消化助劑46包括氫氧化鈉和氫氧化鉀。
然後將由禾杆屑40、蒸汽和水44、以及任何消化助劑46所組成的物流48從混合器42送入反應器50中。在反應器50中，物流48被暴露在能有效地將蒸汽44和任何消化助劑46穿透禾杆屑40的溫度和壓力下，使得當壓力急劇降低時，能形成軟化的屑、纖維素、木質素、半纖維素和水的混合物。
用於本發明的合適的反應器包括連續進料反應器，例如由加拿大Oakville的Stake技術有限公司製造，和在USP4,798,651和4,947,743中描述的反應器，該專利的內容在此作為本發明的參考。
在本發明中，通過將反應器產物52通入一個鼓風罐56中，可以將反應器產物52暴露在急劇降低的壓力下。反應器產物52可以通過送風閥54從反應器50計量進入鼓風罐56中。反應器產物52包括與木質素、半纖維素和水混合的軟化的禾杆紙漿。換句話說，當其退出反應器50通過送風閥54時，禾杆屑被蒸汽爆發，形成禾杆紙漿、木質素和半纖維素。
從鼓風罐56出來的物流58被送入螺旋壓力機59中，在此，禾杆紙漿混合物的物流126與蒸汽爆發的禾杆屑分離。物流126基本上由黑紙漿液和未溶解的固體所組成。一般來說，物流126基本上由水、已反應的木質素和半纖維素所組成。物流126被送入副產物箱142中。從副產物箱142出來的物流144通過過濾體系128。從過濾體系128中取出的固體130被送入鼓風罐56中。從過濾體系128中出來的液體物流138被收集在儲存罐140中。
收集在儲存罐140中的黑紙漿液含有可用的副產物。該副產物可以用作動物飼料添加劑。在本發明的一種優選的形式中，該副產物可以與從預加工中得到的粗粉38混合以形成動物飼料。該動物飼料可以通過本領域已知的方法製成糊狀物或顆粒狀物。
然後將從螺旋壓力機59中出來的物流61進行磨木製漿。該磨木製漿可以通過一個機械均漿機60如Ahlstrom MDR(frotopulper)來進行。
然後將紙漿準備進行洗滌。該紙漿可以通過任何方法，如稀釋和萃取等進行洗滌。例如，可將淨化的紙漿混合物62送入一個稀釋罐64中，在此用水73稀釋。然後可將從罐64中出來的稀釋的紙漿混合物66用洗滌壓力機68濃縮。從洗滌壓力機68中出來的物流69中的稀的黑紙漿液被送入鼓風罐56中。
然後可以將濃縮的紙漿70篩分以除去不想要的顆粒。在用於篩分的製備步驟中，濃縮的紙漿70可以被送入到預篩分的稀釋罐72中，在此與水73混合。然後可以將從稀釋罐72中出來的稀釋的紙漿74通入到初級篩分76中。從初級篩分76中出來的接收物78可以被收集在接收罐84中。
從初級篩分76中出來的次品86可通入初級篩分次品罐90中。從次品罐90中出來的次品92可以通入二級篩分80中。從二級篩分80中出來的接收物82可以被收集在接收罐84中。從二級篩分80中出來的次品88被送入排出器146中。
排出物流148被送入二級次品罐150中。從二級次品罐150中出來的物流152被送入次品均漿機154中。從次品均漿機154中出來的物流156被收集在三級篩分進料罐158中。從三級篩分進料罐158中出來的物流160通過一個三級篩分162。從三級篩分162中出來的接收物164被收集在次品罐90中。從三級篩分162中出來的次品166被送入排出器146中。
通過下面的具體實施例，本發明的屬性和主題以及其目的和效果將能更清楚地被理解。實施例1得到一年生黑麥草禾杆。測得該禾杆的蛋白質水平為大約3％-4％。測得該黑麥草禾杆的水含量為接近10％。將該一年生黑麥草禾杆按照本申請的上述最好方式中描述的方法進行預加工和漿化。
將黑麥草禾杆捆加入到農用桶狀研磨機中，禾杆捆包在此被打散並將禾杆切成長度大致平均為1英寸的碎段。該農用桶狀研磨機具有帶有尺寸在大約半英寸至大約2英寸之間的圓孔的磨擦盤。
在退出農用桶狀研磨機後，切碎的禾杆被送入到一個輪盤磨中。該輪盤磨是一個聯合研磨體系磨，具有在大約0.6mm和大約1.0mm之間的研磨縫隙。在該輪盤磨中，切碎的禾杆被進一步切碎成長度接近半英寸的碎段。該輪盤磨也將禾杆的大部分硬的節、頁和葉鞘研磨成粉末。測得灰分和粗砂石佔進入桶狀研磨機的禾杆量的大約2％-5％。
在離開研磨機以後，將禾杆通入一個35目的六層振動篩中。該篩是一個帶有細網孔和用於清除篩子表面的細粉和粉塵的球層的旋轉篩。接近18％的禾杆混合物作為粗粉在篩上被除去。部分被除去的粗粉是由禾杆的硬節、葉和葉鞘在輪盤磨上形成的粉末。離開篩子的禾杆屑的剩餘部分其尺寸為大約半英寸。
該粗粉具有大約8％-13％的蛋白質水平。其矽石含量為大約8-15％。測定表明從篩子上除去的粗粉可用作動物飼料。
然後將預加工的禾杆屑在漿化之前先儲存。禾杆屑在遠離漿化體系的場所預加工。預加工的禾杆屑用貨櫃貨車運輸至漿化體系。
預加工的禾杆屑以與漿化體系的容量相匹配的速率加入到漿化體系中。將預加工的禾杆屑加入到一個混合器中，在此與蒸汽和水混合，以裝入到混合器中的預加工的禾杆屑為基準獲得大約40-50％的水量。將與蒸汽和水混合的預加工的禾杆屑加入到一個Stake Digester蒸汽爆發反應器中。在該反應器中，預加工的禾杆屑在大約160磅/平方英寸(psig)的壓力下暴露大約5.5分鐘。
從反應器中出來的紙漿通過一個鼓風閥計量進入一個鼓風罐中。將從鼓風罐中出來的紙漿通過一個螺旋壓力機，在此將黑紙漿液與紙漿分離。然後將紙漿在Ahlstrom frotopulper機械均漿機中磨木製漿或淨化。將淨化的紙漿送入一個稀釋罐中，在此與一種稀釋因子為大約2.5的液體混合。然後將稀釋的紙漿用洗滌壓力機濃縮。將濃縮的紙漿在一個具有大約0.010英寸的狹槽板的二步壓力篩中篩分。
測定表明至少大約70重量％的禾杆屑形成了禾杆紙漿。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI(瑞典技術林學學會)。作為對比，測得OCC(從再循環起皺薄紙板獲得的紙漿)具有大約200至大約500之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約15至22之間的STFI。測得牛皮紙紙漿具有大約450至大約750之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約21至26之間的STFI。
具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI的禾杆紙漿適於與牛皮紙紙漿和OCC混合以製造標準研磨等級的線性紙板。禾杆紙漿含有大約低於20％的線性紙板配料。實施例2重複實施例1的步驟，但在混合器中使用大約0.5重量％的氫氧化鈉。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例3重複實施例1的步驟，但在混合器中使用大約1重量％的氫氧化鈉。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例4
重複實施例1的步驟，但在混合器中使用大約2重量％的氫氧化鈉。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例5重複實施例1的步驟，但在混合器中使用大約0.5重量％的氫氧化鉀代替氫氧化鈉。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例6重複實施例1的步驟，但在混合器中使用大約1重量％的氫氧化鉀代替氫氧化鈉。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例7重複實施例1的步驟，但在混合器中使用大約2重量％的氫氧化鉀代替氫氧化鈉。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例8重複實施例1的步驟，但將與水混合的預加工禾杆紙漿在反應器中保持大約2.5分鐘。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例9重複實施例1的步驟，但將與水混合的預加工禾杆紙漿在反應器中保持大約4分鐘。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例10重複實施例1的步驟，但將與水混合的預加工禾杆紙漿在反應器中保持大約6分鐘。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例11重複實施例1的步驟，但將與水混合的預加工禾杆紙漿在反應器中保持大約8分鐘。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例12重複實施例1的步驟，但將與水混合的預加工禾杆紙漿在反應器中暴露在大約140psig的壓力下。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例13重複實施例1的步驟，但將與水混合的預加工禾杆紙漿在反應器中暴露在大約180psig的壓力下。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。實施例12重複實施例1的步驟，但將與水混合的預加工禾杆紙漿在反應器中暴露在大約200psig的壓力下。
在加工結束後，測得禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至21之間的STFI。
本發明的具體實施方式
已進行了詳細的展現和描述以闡明本發明的原則的運用，應該理解的是，所提供的這些展現和描述僅僅作為實例，而不能作為對本發明的限制。由本發明的專利證書獲得的在各方面的保護範圍在權利要求書中進行闡明，並請求現有技術所允許的最寬的保護範圍。
權利要求
1.一種漿化禾杆並形成有用的副產物的方法，該方法包括將禾杆屑與蒸汽和水混合形成一種混合物；將該混合物暴露在足以有效軟化該禾杆屑的溫度和壓力下，當壓力急劇降低時便形成禾杆紙漿、木質素和半纖維素；將該混合物通過一個壓力機將木質素和半纖維素與禾杆紙漿分離，從而形成水、反應的木質素和半纖維素的有用副產物；和將禾杆紙漿通過一個均漿機以形成有用的禾杆紙漿。
2.權利要求1的方法，其中在將禾杆屑、蒸汽和水的混合物暴露在足以有效軟化該禾杆屑的溫度和壓力下，當壓力急劇降低時形成禾杆紙漿、木質素和半纖維素之前，將所述禾杆屑與一種腐蝕劑混合。
3.權利要求2的方法，其中以所述幹禾杆屑的重量為基礎，所述腐蝕劑在混合物中以大約小於2重量％的量存在。
4.權利要求3的方法，其中以所述幹禾杆屑的重量為基礎，氫氧化鉀在混合物中以大約小於0.5重量％的量存在。
5.權利要求2的方法，其中所述腐蝕劑含有氫氧化鈉。
6.權利要求2的方法，其中所述腐蝕劑含有氫氧化鉀。
7.權利要求1的方法，其中當壓力急劇降低時所述混合物在足以有效軟化該混合物的溫度和壓力下暴露大約2.5分鐘至大約8分鐘。
8.權利要求1的方法，其中所述禾杆屑選自含有黑麥草、小麥、和谷與穀類植物禾杆的混合物的組中。
9.權利要求1的方法，其中至少大約70重量％的禾杆屑形成禾杆紙漿。
10.權利要求1的方法，其中當暴露於壓力從大約140磅/平方英寸至大約200磅/平方英寸之間急劇下降至大氣壓下時，所述壓力足以有效軟化禾杆紙漿。
11.權利要求1的方法，其中所述禾杆屑通過剁碎禾杆形成禾杆屑、粗粉、灰分和粗砂石的混合物，並篩分該混合物以將主要組分禾杆屑與粗粉、灰分和粗砂石分離而形成。
12.權利要求11的方法，其中將所述分離的粗粉、灰分和粗砂石用作動物飼料。
13.權利要求12的方法，其中將所述分離的粗粉、灰分和粗砂石與有用的副產物混合形成動物飼料。
14.權利要求1的方法，其中所述禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(Canadian Standard Freeness)。
15.一種由木紙漿和禾杆紙漿製得的紙製品，其中的禾杆紙漿通過如下步驟製得的將禾杆屑與蒸汽和水混合形成禾杆屑、蒸汽和水的混合物；將該混合物暴露在當壓力急劇降低時足以將禾杆屑有效軟化成禾杆紙漿的溫度和壓力下；將主要組分禾杆紙漿與所述混合物分離；均漿所述禾杆紙漿。
16.權利要求15的紙製品，其中所述部分木紙漿從加工的消費廢品中得到。
17.權利要求15的紙製品，其中所述禾杆屑通過剁碎禾杆形成禾杆屑、粗粉、灰分和粗砂石的混合物，並篩分該混合物以將主要組分禾杆屑與粗粉、灰分和粗砂石分離而形成。
18.權利要求15的紙製品，其中所述禾杆紙漿具有大約200至大約600之間的加拿大標準自由度(CSF)和大約14至大約21之間的STFI。
全文摘要
本發明提供一種預加工和加工禾杆紙漿並形成適於動物消費的副產物的方法。本發明還提供含有禾杆紙漿的紙製品。按照本發明,通過在沒有腐蝕劑存在或者有少量的腐蝕劑存在下將禾杆屑進行蒸汽爆發而形成禾杆紙漿。
文檔編號D21H11/00GK1273618SQ98809895
公開日2000年11月15日 申請日期1998年9月30日 優先權日1997年10月7日
發明者韋恩·H·內伊, 威廉姆·S·富勒 申請人:韋爾豪澤公司