将禾杆加工成纸浆的方法以及由该方法获得的纸制品

技术领域

本发明涉及将木素纤维预加工和加工成纸浆的方法。

背景信息

人们对将非木纤维素纤维掺合到纸制品中具有越来越大的兴趣。有 巨大量的非木纤维用于纸浆生产中。据估计，全世界每年的禾杆产量接 近500,000,000吨。只有大约一半的量用于低价值的用途，例如建筑材料， 燃料，和家畜饲料。其剩余量的大多数被没有经过能量回收的燃烧而浪 费，或者被犁回地中。但是，由于销路好的最终产品要求具有有效的强 度、耐久性和亮度，使禾杆加入纸中受到限制，只能将少量从禾杆获得 的纸浆加入到该产品中。

1977年颁发给Emerson的美国专利USP4,040,899中试图寻找禾杆 浆在纸中的用途。Emerson教导将纤维缠绕和卷曲到卷筒纸中。

由Interscience Publisher公司于1952，1960年出版的《Pulp and Paper》中有如下描述：

“禾杆通过化学方法或者通过被称为机械-化学方法的机械方法与化 学方法的结合而被浆化。用于浆化禾杆的各种化学物质有：(1)氢氧化钠， (2)单独的石灰或者石灰与其它碱的结合，(3)亚硫酸钠加其它的碱，(4)氯， 和(5)氢氧化钠加亚硫酸钠(亚硫酸盐工艺)。其它被建议用于禾杆的浆化的 化学物质有硝酸和亚氯酸钠。碳酸钠加硫磺被建议用于用作皱纹纸的粗 纸浆(禾杆牛皮纸)的制备。有四种基本工艺用于制造高等级可漂白禾杆纸 浆：(1)苏打工艺，(2)硫酸盐工艺，(3)亚硫酸盐工艺，和(4)Pomilio氯工 艺。苏打工艺和硫酸盐工艺能生产优良的纸浆，但产率较低。”

本发明的公开

本发明提供一种用于浆化禾杆屑并形成有用的副产物的方法。该方 法是将禾杆屑与蒸汽和水混合形成一种混合物。将该混合物暴露在足以 有效软化该禾杆屑的温度和压力下，当压力急剧降低时便形成禾杆纸浆、 木质素和半纤维素。将该混合物洗涤以将木质素和半纤维素与禾杆纸浆 分离，从而形成被称为纸浆黑液的，水、木质素和半纤维素的有用副产 物，并将其通过一个机械均浆机。

在将禾杆屑、蒸汽和水的混合物暴露在足以有效软化该禾杆屑的温 度和压力下，当压力急剧降低时形成禾杆纸浆、木质素和半纤维素之前， 该禾杆屑可以与一种腐蚀剂混合。该腐蚀剂在混合物中可以以大约小于2 重量％的量存在。优选的是该腐蚀剂在混合物中以大约小于0.5重量％的 量存在。该腐蚀剂可以含有氢氧化钠。该腐蚀剂也可以含有氢氧化钾。

在本方法的一种形式中，所述混合物可以在当压力急剧降低时足以 有效软化该混合物的温度和压力下暴露大约2.5分钟至大约8分钟。

在本发明的另外一种形式中，至少大约70重量％的禾杆屑形成禾杆 纸浆。

在本发明的另外一种形式中，所述当暴露在急剧降低的压力中时足 以有效软化禾杆纸浆的压力在大约140psig至大约200psig之间。

在本发明的另外一种形式中，纤维屑可以选自非木纤维如黑麦草， 小麦，和谷与谷类植物禾杆的混合物。

用于本方法的禾杆屑可以通过剁碎禾杆形成禾杆屑、粗粉、灰分和 粗砂石的混合物，并筛分该混合物以将主要组分禾杆屑与粗粉、灰分和 粗砂石分离而形成。粗粉、灰分和粗砂石可以用作动物饲料。在本发明 的一种优选的形式中，粗粉、灰分和粗砂石可以与纸浆黑液副产物混合 形成动物饲料。

由本方法形成的禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿大标 准自由度(Canadian Standard Freeness)。

本发明也提供一种由木纸浆和禾杆纸浆制得的纸制品，其中的禾杆 纸浆通过将禾杆屑与蒸汽和水混合形成禾杆屑、蒸汽和水的混合物而制 得。该混合物被暴露在当压力急剧降低时足以将禾杆屑有效软化成禾杆 纸浆的温度和压力下。然后将该混合物净化并将禾杆纸浆的主要组分与 该混合物分离。可以从加工的消费废品中得到部分木纸浆和纸制品。

禾杆屑可以通过剁碎禾杆形成禾杆屑、粗粉、灰分和粗砂石的混合 物，并筛分该混合物以将主要组分禾杆屑与粗粉、灰分和粗砂石分离而 形成。

在本发明的另外一种形式中，禾杆纸浆具有大约200至大约600之 间的加拿大标准自由度(CSF)和大约14至大约21之间的STFI。

通过下面的实现本发明的最好方式的详细描述，本发明的这些和其 它的优点和特征将更清楚。

附图的简要说明

在附图中，同样的单元命名涉及在各处的各个视图中的相同部件， 并且：

图1为黑麦草植物的断面图；

图2为按照本发明方法构造的预加工车间的流程图；

图3为按照本发明方法构造的浆化车间的流程图。

实现本发明的最好方式

本发明提供一种用于预加工和加工各种木素纤维素源材料的改进方 法。合适的木素纤维素材料包括非木纤维如谷与谷类植物禾杆，以及玉 米秸杆。但是，已经发现本发明方法特别适用于得自草和禾杆的木素纤 维素材料，如一年生黑麦草、羊矛、和小麦。此处所说的禾杆屑可以指 得自任何非木纤维如谷和谷类植物禾杆，草和玉米秸杆的屑。但是为了 简单起见，所有这些屑都将称之为禾杆屑。

首先参见作为例子的图1，黑麦草植物10在土壤12中生长。黑麦 草植物10具有保持在穗16中的种子或内核14，在接合点或节20之间的 空心茎或结间部18，以及广泛分支的纤维状根系统22。在茎18上形成 叶鞘部分24并且叶26附在茎18上。

在收割期间，将黑麦草植物10从离地面大约3至6英寸处，一般位 于第一接合点或节20之下割下或刈下。然后将割下的黑麦草植物在田地 中放置晒烤几个星期。可以用联合收割机从割下的植物收割种子或内核 14。在用联合收割机除去种子或内核14后，将余下的黑麦草植物，一般 称为禾杆30，丢放在地面。可从田地中回收禾杆30并在进一步加工前捆 包储存。

参见用于预加工的图2，禾杆30被送入到桶状研磨机28中。该禾 杆30可以以捆包的形式送入到桶状研磨机28中。桶状研磨机28将捆包 打散并将禾杆切成长度大致平均为1英寸的碎段。当切碎的禾杆32退出 磨34时，该切碎的禾杆32包括节20，叶26，叶鞘部分24，和结间部18， 以及灰分、硅石，和粗砂石。

切碎的禾杆32退出研磨机28后被送入磨34中，将切碎的禾杆32 进一步切碎成长度大致平均为半英寸的碎段。该磨34将大部分的节20， 叶26，和叶鞘部分24研磨成粉末。

如果磨34的容量不允许切碎的禾杆32直接从桶状研磨机28送入磨 34中，可以将切碎的禾杆32在被送入磨34之前在储存罐35中储存。

在退出磨34后，将已研磨的混合物36通过多层筛37。通过将已研 磨的混合物36通过多层筛37，将粗粉38逐出并与禾杆屑40分离。粗粉 38包括非纤维颗粒和富含硅石和粗砂石的灰分。该粗粉38可以用作喂养 家畜的农副产品。

然后准备将禾杆屑40加工成纸浆。禾杆屑40在进一步加工之前可 以储存。另外，如果进行纸浆加工的地点离禾杆屑40预加工的地点相距 遥远，可以将禾杆屑40通过任何用于运输体相材料的方式例如通过使用 集装箱进行运输。

参见用于将禾杆屑40加工成纸浆的图3，禾杆屑40被送入混合器42 中，在此与蒸汽和水44以及任何的腐蚀剂或消化助剂46混合。消化助 剂46的用量典型的是以每个进入体系中的干禾杆屑的量为重量基准进行 计算。该浆化过程可以引入一个标准，使得进入体系中的禾杆屑40可以 计重并且消化助剂46的量可以控制在合适的比例。

优选的是，与蒸汽和水44以及禾杆屑40混合的消化助剂46的量在 大约0至大约2.0重量％之间。但是更优选的是，消化助剂46的量在大 约0至大约0.5重量％之间。用于本发明的合适的消化助剂46包括氢氧 化钠和氢氧化钾。

然后将由禾杆屑40、蒸汽和水44、以及任何消化助剂46所组成的 物流48从混合器42送入反应器50中。在反应器50中，物流48被暴露 在能有效地将蒸汽44和任何消化助剂46穿透禾杆屑40的温度和压力下， 使得当压力急剧降低时，能形成软化的屑、纤维素、木质素、半纤维素 和水的混合物。

用于本发明的合适的反应器包括连续进料反应器，例如由加拿大 Oakville的Stake技术有限公司制造，和在USP4,798,651和4,947,743中 描述的反应器，该专利的内容在此作为本发明的参考。

在本发明中，通过将反应器产物52通入一个鼓风罐56中，可以将 反应器产物52暴露在急剧降低的压力下。反应器产物52可以通过送风 阀54从反应器50计量进入鼓风罐56中。反应器产物52包括与木质素、 半纤维素和水混合的软化的禾杆纸浆。换句话说，当其退出反应器50通 过送风阀54时，禾杆屑被蒸汽爆发，形成禾杆纸浆、木质素和半纤维素。

从鼓风罐56出来的物流58被送入螺旋压力机59中，在此，禾杆纸 浆混合物的物流126与蒸汽爆发的禾杆屑分离。物流126基本上由黑纸 浆液和未溶解的固体所组成。一般来说，物流126基本上由水、已反应 的木质素和半纤维素所组成。物流126被送入副产物箱142中。从副产 物箱142出来的物流144通过过滤体系128。从过滤体系128中取出的固 体130被送入鼓风罐56中。从过滤体系128中出来的液体物流138被收 集在储存罐140中。

收集在储存罐140中的黑纸浆液含有可用的副产物。该副产物可以 用作动物饲料添加剂。在本发明的一种优选的形式中，该副产物可以与 从预加工中得到的粗粉38混合以形成动物饲料。该动物饲料可以通过本 领域已知的方法制成糊状物或颗粒状物。

然后将从螺旋压力机59中出来的物流61进行磨木制浆。该磨木制 浆可以通过一个机械均浆机60如Ahlstrom MDR(frotopulper)来进行。

然后将纸浆准备进行洗涤。该纸浆可以通过任何方法，如稀释和萃 取等进行洗涤。例如，可将净化的纸浆混合物62送入一个稀释罐64中， 在此用水73稀释。然后可将从罐64中出来的稀释的纸浆混合物66用洗 涤压力机68浓缩。从洗涤压力机68中出来的物流69中的稀的黑纸浆液 被送入鼓风罐56中。

然后可以将浓缩的纸浆70筛分以除去不想要的颗粒。在用于筛分的 制备步骤中，浓缩的纸浆70可以被送入到预筛分的稀释罐72中，在此 与水73混合。然后可以将从稀释罐72中出来的稀释的纸浆74通入到初 级筛分76中。从初级筛分76中出来的接收物78可以被收集在接收罐84 中。

从初级筛分76中出来的次品86可通入初级筛分次品罐90中。从次 品罐90中出来的次品92可以通入二级筛分80中。从二级筛分80中出 来的接收物82可以被收集在接收罐84中。从二级筛分80中出来的次品 88被送入排出器146中。

排出物流148被送入二级次品罐150中。从二级次品罐150中出 来的物流152被送入次品均浆机154中。从次品均浆机154中出来的 物流156被收集在三级筛分进料罐158中。从三级筛分进料罐158中 出来的物流160通过一个三级筛分162。从三级筛分162中出来的接 收物164被收集在次品罐90中。从三级筛分162中出来的次品166 被送入排出器146中。

通过下面的具体实施例，本发明的属性和主题以及其目的和效果将 能更清楚地被理解。 实施例1

得到一年生黑麦草禾杆。测得该禾杆的蛋白质水平为大约3％-4％。 测得该黑麦草禾杆的水含量为接近10％。将该一年生黑麦草禾杆按照本 申请的上述最好方式中描述的方法进行预加工和浆化。

将黑麦草禾杆捆加入到农用桶状研磨机中，禾杆捆包在此被打散并 将禾杆切成长度大致平均为1英寸的碎段。该农用桶状研磨机具有带有 尺寸在大约半英寸至大约2英寸之间的圆孔的磨擦盘。

在退出农用桶状研磨机后，切碎的禾杆被送入到一个轮盘磨中。该 轮盘磨是一个联合研磨体系磨，具有在大约0.6mm和大约1.0mm之间 的研磨缝隙。在该轮盘磨中，切碎的禾杆被进一步切碎成长度接近半英 寸的碎段。该轮盘磨也将禾杆的大部分硬的节、页和叶鞘研磨成粉末。 测得灰分和粗砂石占进入桶状研磨机的禾杆量的大约2％-5％。

在离开研磨机以后，将禾杆通入一个35目的六层振动筛中。该筛是 一个带有细网孔和用于清除筛子表面的细粉和粉尘的球层的旋转筛。接 近18％的禾杆混合物作为粗粉在筛上被除去。部分被除去的粗粉是由禾 杆的硬节、叶和叶鞘在轮盘磨上形成的粉末。离开筛子的禾杆屑的剩余 部分其尺寸为大约半英寸。

该粗粉具有大约8％-13％的蛋白质水平。其硅石含量为大约8-15％。 测定表明从筛子上除去的粗粉可用作动物饲料。

然后将预加工的禾杆屑在浆化之前先储存。禾杆屑在远离浆化体系 的场所预加工。预加工的禾杆屑用集装箱货车运输至浆化体系。

预加工的禾杆屑以与浆化体系的容量相匹配的速率加入到浆化体系 中。将预加工的禾杆屑加入到一个混合器中，在此与蒸汽和水混合，以 装入到混合器中的预加工的禾杆屑为基准获得大约40-50％的水量。将与 蒸汽和水混合的预加工的禾杆屑加入到一个Stake Digester蒸汽爆发反应 器中。在该反应器中，预加工的禾杆屑在大约160磅/平方英寸(psig)的 压力下暴露大约5.5分钟。

从反应器中出来的纸浆通过一个鼓风阀计量进入一个鼓风罐中。将 从鼓风罐中出来的纸浆通过一个螺旋压力机，在此将黑纸浆液与纸浆分 离。然后将纸浆在Ahlstrom frotopulper机械均浆机中磨木制浆或净化。 将净化的纸浆送入一个稀释罐中，在此与一种稀释因子为大约2.5的液体 混合。然后将稀释的纸浆用洗涤压力机浓缩。将浓缩的纸浆在一个具有 大约0.010英寸的狭槽板的二步压力筛中筛分。

测定表明至少大约70重量％的禾杆屑形成了禾杆纸浆。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI(瑞典技术林学学会)。作 为对比，测得OCC(从再循环起皱薄纸板获得的纸浆)具有大约200至大 约500之间的加拿大标准自由度(CSF)和大约15至22之间的STFI。测得 牛皮纸纸浆具有大约450至大约750之间的加拿大标准自由度(CSF)和大 约21至26之间的STFI。

具有大约200至大约600之间的加拿大标准自由度(CSF)和大约14 至21之间的STFI的禾杆纸浆适于与牛皮纸纸浆和OCC混合以制造标准 研磨等级的线性纸板。禾杆纸浆含有大约低于20％的线性纸板配料。 实施例2

重复实施例1的步骤，但在混合器中使用大约0.5重量％的氢氧化 钠。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例3

重复实施例1的步骤，但在混合器中使用大约1重量％的氢氧化钠。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例4

重复实施例1的步骤，但在混合器中使用大约2重量％的氢氧化钠。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例5

重复实施例1的步骤，但在混合器中使用大约0.5重量％的氢氧化 钾代替氢氧化钠。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例6

重复实施例1的步骤，但在混合器中使用大约1重量％的氢氧化钾 代替氢氧化钠。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例7

重复实施例1的步骤，但在混合器中使用大约2重量％的氢氧化钾 代替氢氧化钠。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例8

重复实施例1的步骤，但将与水混合的预加工禾杆纸浆在反应器中 保持大约2.5分钟。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例9

重复实施例1的步骤，但将与水混合的预加工禾杆纸浆在反应器中 保持大约4分钟。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例10

重复实施例1的步骤，但将与水混合的预加工禾杆纸浆在反应器中 保持大约6分钟。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例11

重复实施例1的步骤，但将与水混合的预加工禾杆纸浆在反应器中 保持大约8分钟。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例12

重复实施例1的步骤，但将与水混合的预加工禾杆纸浆在反应器中 暴露在大约140psig的压力下。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例13

重复实施例1的步骤，但将与水混合的预加工禾杆纸浆在反应器中 暴露在大约180psig的压力下。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。 实施例12

重复实施例1的步骤，但将与水混合的预加工禾杆纸浆在反应器中 暴露在大约200psig的压力下。

在加工结束后，测得禾杆纸浆具有大约200至大约600之间的加拿 大标准自由度(CSF)和大约14至21之间的STFI。

本发明的具体实施方式已进行了详细的展现和描述以阐明本发明的 原则的运用，应该理解的是，所提供的这些展现和描述仅仅作为实例， 而不能作为对本发明的限制。由本发明的专利证书获得的在各方面的保 护范围在权利要求书中进行阐明，并请求现有技术所允许的最宽的保护 范围。

发明背景