用非木纤维质纤维进行造纸越发令人感兴趣。现有大量的非木质 纤维用于纸浆造纸。据估计，全世界每年约有近500,000,000吨秸杆 产量。而仅有约半数以低附加值利用，诸如用作建筑材料、燃料，以 及牲畜饲料等。而剩下的大部分被无谓的燃烧掉而未经能源回收，或 返耕回土壤中。当然，用秸杆造纸的障碍在于由秸杆衍生得到的低质 量纤维难以满足最终市场产品的强度、耐久性以及光亮度要求。
在1977年授权于Emerson的美国专利No.4,040,899试图将秸杆 纸浆用于造纸。Emerson披露了将纤维卷绕并褶入纸幅中。
1952,1960年，由Interscience Publishers,Inc.出版的Pulp and Paper 中提到，秸杆通过化学过程和通过被称作机械-化学过程的机械和化学 过程组合来进行制浆。用于秸杆制浆的不同化合物为：(1)氢氧化 钠，(2)单用石灰或与其它碱组合，(3)亚硫酸钠加其它碱，(4) 氯，以及(5)氢氧化钠加亚硫酸钠(亚硫酸法)。建议用于秸杆制 浆的其它化合物为硝酸和氯化钠。碳酸钠加硫磺可用来制备用于皱纹 纸的粗纸浆(秸杆牛皮纸)。有四种主要用于制备高品级可漂白秸杆 纸浆的工艺：(1)苏打法，(2)硫酸盐法，(3)单亚硫酸盐法， 以及(4)Pomilio chlorine法。所述苏打法和硫酸盐法可制备高品级 的纸浆，但产量较低。
发明简述
本发明提供一种秸杆碎片制浆以及制备有用副产品的方法。根据 本发明的方法，秸杆碎片与蒸汽和水混合形成混合物。所述混合物暴 露于足以使所述秸杆碎片明显软化的温度和压力下，当暴露于迅速降 低的压力时，将形成秸杆纸浆、木质素以及半纤维素。所述混合物经 清洗从所述秸杆纸浆中分离出一部分木质素和半纤维素，从而得到有 用副产品水、木质素以及半纤维素，即黑液，并通过机械提纯机。
在所述秸杆碎片、蒸汽和水的混合物暴露于足以使所述秸杆碎片 明显软化的温度和压力下，当暴露于迅速降低的压力时，将形成秸杆 纸浆、木质素以及半纤维素的步骤之前，所述秸杆碎片与苛性碱混合。 在混合物中的苛性碱含量低于约2％重量。优选地，苛性碱含量低于 约1.5％重量。所述苛性碱可包括氢氧化钠。而且，所述苛性碱可包括 氢氧化钾。
该方法的一种方式中，所述混合物暴露于足以使混合物明显软化 的温度和压力下，暴露于快速降低的压力下约2至约8分钟。
本发明的另一种实施方式中，至少约70％重量的秸杆碎片制成秸 杆纸浆。
本发明的另一种实施方式中，其中，暴露于快速降低的足以明显 软化秸杆碎片的压力为140psig-200psig。
在本发明的另一种实施方式中，其中，所述秸杆碎片选自非木纤 维，例如黑麦草、麦子、以及谷子和谷类秸杆的混合物。
在本发明方法中所采用的秸杆碎片经切割形成秸杆碎片、粗粉、 灰分以及粗砂的混合物，并且筛分所述混合物将相当大部分的秸杆碎 片从所述粗粉、灰分和粗砂中分离出来。所述分离出的粗粉、灰分、 以及粗砂用作动物饲料。在优选实施例中，所述分离出的粗粉、灰分、 以及粗砂可与黑液副产品混合形成动物饲料。
本方法中所述秸杆纸浆具有约200-约600的加拿大标准滤水度 (Canadian Standard Freeness)。
本发明还提供一种由木浆和秸杆纸浆制成的纸制品，其中，所述 秸杆纸浆通过将秸杆碎片与蒸汽和水混合以形成秸杆碎片、蒸汽以及 水的混合物。所述混合物暴露于足以明显将所述秸杆碎片软化的温度 和压力下，当暴露于快速降低的压力下以制备秸杆纸浆。所述混合物 经提纯，相当大部分的秸杆纸浆从混合物中分离出来。一部分木浆和 纸制品可衍生自处理的生活垃圾。
所述秸杆碎片可通过将秸杆切割形成秸杆碎片、粗粉、灰分以及 粗砂的混合物，并且筛分所述混合物以将相当大部分的秸杆碎片从所 述粗粉、灰分以及粗砂中分离出来而得到。
本发明的另一种实施方式中，所述秸杆纸浆可具有约200-约600 的加拿大标准滤水度(CSF)以及约为14-约21的STFI。
在另一个实施例中，本发明提供一种秸杆纸浆制品，其制成纸， 将增强纸的强度。所述的秸杆纸浆制品通过包括将纸浆浸渍于苛性碱 的方法予以制备。所述方法还提供可作为动物饲料的粗粉、灰分以及 粗砂。所述粗粉、灰分以及粗砂还可与所述方法的黑液副产品混合以 形成动物饲料。
通过以下详述的本发明最佳实施例，本发明的这些和其他优点及 特征将更为显见。
附图简述
通过参考以下附图的详细说明，本发明的前述优点及其他优点将 更为显见[同样，更易被理解]，其中：
图1为黑麦草植株立体图；
图2为本发明方法的植株加工流程图构成；以及
图3为本发明方法的植株制浆流程图构成。
优选实施例详述
本发明提供一种改进的预加工和加工各种木质纤维素原料的方 法。适宜的木质纤维素包括非木质纤维诸如谷子和谷类秸杆以及玉米 秣草。但是，本发明的方法最适于衍生自草和秸杆诸如每年生黑麦草、 牛毛草和小麦的木质纤维素原料，如此处所用，秸杆碎片指衍生自任 意非木质纤维诸如谷子和谷类秸杆，草和玉米秣草的碎片。但是，为 了简明起见，所有此类碎片可称为秸杆碎片。
首先参见图1，通过实施例，所示黑麦草植株10生长于土壤12 中。所述黑麦草植株10的穗16中具有种子或麦粒14，在关节或节点 20间具有中空茎或节间18，以及多分叉纤维根系22。在茎18生成有 外壳部24以及所述茎18上具有附叶26。
在收割的季节，所述黑麦草植株10从地面的3-6英寸处割断或 切断，一般在第一关节或节点20下方。然后，所述切割的黑麦草植 株留在田地中几个星期以熟化。种子或麦粒14通过收割机从割断的 植株上脱除。在收割机脱除了种子或麦粒14后，所述黑麦草植株的 残留物，通常被称作秸杆30，被丢弃在地上。从田地中将秸杆30回 收并在深加工之前捆扎储存。
参见图2，为了预处理，秸杆30被给入筒式粉碎机28。秸杆30 可成捆给入筒式粉碎机28。筒式粉碎机28打散捆并将秸杆切割成平 均约1英寸长度的碎片。当经切割的秸杆32从磨机34出来时，经切 割的秸杆32可包括节点20、叶26、外壳部24、和节间18以及灰分、 二氧化硅和粗砂。
在从筒式粉碎机28出来后，所述经切割的秸杆32给入磨机34 以将经切割的秸杆32加工成约平均1/2英寸长度的片。磨机34将大 部分的节点20、叶26、和外壳部24磨成了粉。
如果磨机34的容积不容许经切割的秸杆32直接由筒式粉碎机28 给入磨机34，则在给入磨机34之前，经切割的秸杆32可储存于储料 桶35中。
在从磨机34中出来后，磨碎的混合物36通过一多层筛37。磨 碎的混合物36通过多层筛37将粗粉38从秸杆碎片40中脱除。粗粉 38包括非纤维颗粒和灰分，其富含二氧化硅和粗砂。粗粉38可作为 农业副产品用作饲料。
然后，秸杆碎片40将准备加工成纸浆。在深加工之前秸杆碎片 40可予以储存。此外，如果制浆工艺在远离秸杆碎片40预处理的地 方进行，秸杆碎片40可通过任何运输大体积原料的方式进行运输， 诸如容器。
参见图3，为了将秸杆碎片40加工成纸浆，秸杆碎片40被给入 混合器42，于此与蒸汽和水44以及任意苛性碱或煮解的添加剂46混 合。一般地，使用的煮解添加剂46在进入系统的干秸杆碎片的单位 重量基础上计量。可在制浆工艺中引入天平以便于给入系统的秸杆碎 片40得到称重，并且煮解添加剂46的量可以适宜的比例添加。
优选地，煮解添加剂46以约0-约2.0％重量与蒸汽和水44以及 秸杆碎片40混合。但是，更优选煮解添加剂46约为0-约0.5％重量。 适宜用于本发明中的煮解添加剂46包括氢氧化钠和氢氧化钾。
由秸杆碎片40、蒸汽和水44、以及任意煮解添加剂46组成的料 流48从混合器42给入反应器50 。在反应器50中，料流48暴露于足 以使蒸汽44和任意煮解添加剂46渗入秸杆碎片40中温度和压力下， 从而在暴露于快速降低的压力下时，形成软化碎片、纤维素、木质素、 半纤维素和水的混合物。
本发明适宜采用的反应器包括连续给料反应器，其由Stake Technology,Ltd.ofOakville,Canada制造，并于美国专利Nos.4,798,651 和4,947,743，中披露，该文引于此作参考。
本发明中，通过将反应器产品52给入泄料桶56反应器产品52 暴露于快速减低压力下。反应器产品52可通过泄料阀54从反应器50 中给入泄料桶56。反应器产品52包括混有木质素、半纤维素和水的 软化秸杆纸浆。换言之，秸杆碎片经由泄料阀54从反应器50排出形 成秸杆纸浆、木质素和半纤维素时经过了蒸汽膨胀。
来自泄料桶56的料流58给入螺旋挤压机59，秸杆纸浆混合物 的料流126从蒸汽膨胀秸杆碎片中分离。料流126基本上由黑液和未 溶解固体组成。一般而言，料流126基本上由水、反应后木质素和半 纤维素组成。料流126排入副产品箱142，来自副产品箱142的料流 144通过过滤系统128。由过滤系统128除去的固体130送到泄料桶56。 来自过滤系统128的料流138收集在储料桶140中。
收集于储料桶140的黑液为有用副产品。该副产品可作为动物饲 料添加剂。本发明的优选实施例中，所述副产品可与预处理的粗粉38 混合形成动物饲料。所述动物饲料可通过现有技术形成浆状或球状。
来自螺旋压榨机59的料流61经过纤维分离。可通过机械提纯机 60诸如Ahlstrom MDR(frotopulper)来实现纤维分离。
纸浆然后准备清洗。所述纸浆可通过任意方式进行清洗，诸如稀 释和萃取。例如，提纯后的纸浆混合物62可给入稀释桶64与水73 进行稀释。然后，来自桶64的稀释的纸浆混合物66可利用清洗压榨 机68增稠。来自清洗压榨机68料流69中的淡黑液排入泄料桶56。
增稠纸浆70然后可筛分除去无需颗粒。在准备筛分时，增稠纸 浆70可给入预筛分稀释桶72与水73混合。来自稀释桶72的稀释纸 浆74然后排入初级筛分器76。来自初级筛分器76的出料78可收集 于储料桶84。
来自初级筛分器76的废料86可排入初级筛分器废料桶90。来 自废料桶90的废料92可排入二级筛分器80。来自二级筛分器80的 出料82可收集于储料桶84。来自二级筛分器80的废料88排入排水 沟146。
排出料流148给入二级废料桶150。来自二级废料桶150的料流 152给入废料纤维分离器154。来自废料纤维分离器154的料流156 收集于第三筛分给料桶158。来自第三筛分给料桶158的料流160通 过第三筛分器162。来自第三筛分器162的出料164收集于废料桶90 中。来自第三筛分器162的废料166给入排水沟146。
在另一个实施例中，本发明提供一种秸杆纸浆制品，当纸中含有 该制品时，将增强纸的强度。所述方法中，上述处理的秸杆纸浆进一 步以苛性碱处理。优选地，所述处理秸杆纸浆通过浸渍于苛性碱中处 理。更具体地，在增稠纸浆被稀释及筛分后，所得纸浆(例如，来自 初级筛分器76的出料78)以苛性碱处理。在苛性碱处理后，然后收 集秸杆纸浆产品(例如，在储料桶84中)。
如上所述，粗粉、灰分以及粗砂从该方法中的秸杆碎片分离出来 作为动物饲料。所分离的粗粉、灰分以及粗砂还可与该方法中的黑液 副产品混合形成动物饲料。
用于纸浆浸渍的苛性碱优选为包括氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化 钠和氢氧化钾混合物的含水溶液。适宜的苛性碱溶液含有约1-约5％ 重量氢氧化钠或氢氧化钾。优选地，苛性碱溶液含有约2％重量的氢 氧化钠或氢氧化钾。秸杆纸浆苛性碱浸渍一般在大气环境中进行约0.5- 约2小时。在优选实施例中，秸杆纸浆在大气环境下浸渍于2％重量 氢氧化钠水溶液中约0.5小时。
本发明方法的苛性碱处理秸杆纸浆可与其它纸浆混合或用作造纸 配料的唯一纸浆组分以制备纸制品。所述苛性碱浸渍可在桶中进行， 该桶为向造纸机器给料的储料桶。所述苛性碱处理秸杆纸浆可为供给 造纸机器的给料。此外，其它纸浆可加入苛性碱处理秸杆纸浆混合以 向造纸机器提供混合的造纸配料。
本发明的苛性碱浸渍秸杆纸浆提高了密度并使含有此纸浆的纸制 品强度改善。例如，在2％苛性碱中浸渍使纸浆密度提高约9％Burst(1bs.), 而且通过STFI(Swedish Technical Forest Institute,1bs./in.)所测定的 由苛性碱浸渍秸杆纸浆制备的纸的强度要大于由上述未经苛性碱浸渍 处理(例如，对照于下表1中)的秸杆纸浆制成的纸。浸渍于2％苛 性碱中将增加STFI值约25％。纸浆在约pH值为9时浸渍于苛性碱中 将使STFI值增加约9％。苛性碱浸渍纸浆中的burst强度值增加约9％， 而且，在pH值为9和10.5时有少量增加。含有在中性pH值(例如， pH值为7)浸渍秸杆纸浆的纸的burst强度值或STFI值没有增加。
由苛性碱浸渍秸杆纸浆制备的纸的STFI值接近，但未达到，老 式皱纹容器(OCC)。由苛性碱浸渍纤维制备的纸的STFI值为0.48 (由对照秸杆纸浆制备的纸的STFI值为0.38)，由OCC制备的纸的 STFI值为0.55。可以发现，由苛性碱浸渍OCC制备的纸的STFI值 (0.61)增加了。因而，尽管苛性碱浸渍秸杆纸浆未能使纸的强度达 到OCC作用的程度，苛性碱浸渍秸杆纸浆使含有处理纸浆的纸的强 度得到明显改善。
由各种苛性碱浸渍秸杆纸浆制备的纸的强度如下表示并在下表1 中与对照组相比较。在表1中，“对照”是指秸杆纸浆已经由如上述 的处理，但未经苛性碱浸渍。表1还列出所述纤维(例如，CSF)和 由这些纤维制成的纸(例如，纸张定量和密度)的一些性能。如表1 中所述的纸是由100％指定的纸浆制成。
表1-纸强度对比
纸浆         CSF    纸张    密度      Burst   Burst   Burst   STFI     STFI      STFI
                    定量    1bs/ft3  1bs     Stdev   指数    1bs/in   指数      95％
                    1bs/ft2                                                    比较水平 对照(未浸渍)     610    27.16   23.96     30      1.77    1.105   10.25    0.377     0.0153 2％苛性碱浸渍    565    26.56   26.12     32      1.76    1.205   12.49    0.470     0.0140 pH7浸渍          605    26.52   23.40     29      1.41    1.094   10.01    0.377     0.0141 pH9浸渍          580    26.82   24.38     31      1.40    1.156   11.05    0.412     0.0226 pH10.5浸渍       580    27.08   24.81     31      1.57    1.145   11.50    0.425     0.0150 OCC对照          520    27.10   30.68     56      2.18    2.066   14.82    0.547     0.0091 OCC2％苛性碱     520    27.53   32.07     65      2.98    2.361   16.87    0.613     0.0110
通过参照以下具体实施例，本发明的特性和主旨以及其目的和优 点将更为容易理解。
实施例1
制备一年生黑麦草秸杆。所述秸杆的蛋白质含量约为3-4％。所 述黑麦草秸杆的水分含量约为10％。一年生黑麦草秸杆经预处理并根 据此处所述本申请最佳实施方式所述的方法制浆。
大捆的黑麦草秸杆给入农业筒式粉碎机，大捆被打散并且所述秸 杆切割成平均长度约为1英寸的碎片。所述农业筒式粉碎机具有尺寸 在约0.5英寸到约2英寸圆孔的喂入格板。
在从所述农业筒式粉碎机出来后，所述切割的秸杆给入一圆盘 磨。所述圆盘磨为United Milling Systems磨机，磨盘间隙为约0.6mm 与约1.0mm之间。在圆盘磨中，所述切割的秸杆减小为约0.5英寸的 碎片。而且，圆盘磨将大部分的硬结、叶以及秸杆外壳磨成粉。给入 筒式粉碎机的秸杆中的灰分和粗砂约占2-5％。
在离开磨机后，秸杆进入六层35目振动筛。所述筛子为设有细 筛孔和用于从筛子表面清除细粒及脏物的球层的旋转筛。约18％的秸 杆混合物在筛子上作为粗粉除去。除去的粗粉部分是秸杆的硬结、叶 和外壳磨成的粉。离开筛子剩下的秸杆碎片平均尺寸约为1/2英寸。
粗粉的蛋白质含量约为8-13％。二氧化硅的含量约为8-15％。筛 分中除去的粗粉将作为动物饲料。
在制浆之前，预处理的秸杆碎片进行储存。所述秸杆碎片在远离 制浆系统的地点预处理。经预处理的秸杆碎片以货柜车运输至制浆系 统。
所述预处理秸杆碎片以相应于制浆系统容积的速度给入制浆系 统。经预处理的秸杆碎片给入混合器与蒸汽和水混合，使基于预处理 秸杆碎片给入量的水含量达到40-50％。与蒸汽和水混合的预处理秸杆 碎片给入Stake Digester蒸汽膨胀反应器。在反应器中，所述预处理秸 杆碎片暴露于约160psig的压力下约5分钟。
来自反应器的纸浆通过泄料阀计量进入泄料桶。来自泄料桶的纸 浆通过螺旋压榨机而将黑液从纸浆中分离出来。然后，所述纸浆进行 纤维分离或在Ahlstrom变螺距双螺旋纤维离解机械提纯机进行提纯。 提纯后的纸浆给入稀释桶与液体以稀释倍数约为2.5混合。稀释后的 纸浆利用清洗压榨机增稠。所述增稠纸浆在具有开孔为约0.010英寸 的双层压力筛上进行筛分。
至少约70％重量的秸杆碎片被制成秸杆纸浆。
从工艺中出来后，所述秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大 标准滤水度(CSF)和约为14-21的STFI(Swedish Technical Forestry Institute)。作为对比，OCC(由回收的皱纹纸板得到的纸浆)将具有约为 200-约500的加拿大标准滤水度(CSF)和STFI约为15-约22。牛皮纸 浆将具有约为450-约750的加拿大标准滤水度(CSF)和STFI约为21- 约26。
具有约为200-约600的加拿大标准滤水度(CSF)和约为14-约21 的STFI(Swedish Technical Forestry Institute)的秸杆纸浆可与牛皮纸浆 和OCC混合以制造标准磨细度下的挂面纸板。秸杆纸浆含有约低于 20％的挂面纸板配料。
实施例2
在混合器中采用约0.5％重量的氢氧化钠，重复实施例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例3
在混合器中采用约1％重量的氢氧化钠，重复实施例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。 实施例4
在混合器中采用约2％重量的氢氧化钠，重复实施例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例5
在混合器中采用约0.5％重量的氢氧化钾代替氢氧化钠，重复实 施例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例6
在混合器中采用约1％重量的氢氧化钾代替氢氧化钠，重复实施 例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例7
在混合器中采用约2％重量的氢氧化钾代替氢氧化钠，重复实施 例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例8
使预处理秸杆碎片与水混合，留存在反应器中约2分钟，重复
实施例1。
从该上艺出米后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例9
使预处理秸杆碎片与水混合，留存在反应器中约4分钟，重复实 施例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例10
使预处理秸杆碎片与水混合，留存在反应器中约6分钟，重复实 施例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例11
使预处理秸杆碎片与水混合，留存在反应器中约8分钟，重复实 施例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例12
使预处理秸杆碎片与水混合在反应器中暴露于约140psig的压力 下，重复实施例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例13
使预处理秸杆碎片与水混合在反应器中暴露于约180psig的压力 下，重复实施例1。
从该上艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
实施例14
使预处理秸杆碎片与水混合，在反应器中暴露于约200psig的压 力下，重复实施例1。
从该工艺出来后，秸杆纸浆将具有约为200-约600的加拿大标准 滤水度(CSF)和约为14-约21的STFI。
尽管本发明的优选实施例对本发明予以解释和说明，可以理解， 在不脱离本发明精神和范围的各种变化均应落在本发明的保护范围之 内。