Экономические основы и технология производства бумаги и картона

 Экономические основы и технология производства бумаги и картона

1.         Понятие бумаги и картона и их различие

Лесная промышленность – древнейшая на территории России. В ней выделяются около 20 отраслей, подотраслей и производств. К наиболее значительным относятся лесозаготовительная, деревообрабатывающая, целлюлозно-бумажная и лесохимическая отрасли.

Целлюлозно-бумажная промышленность – наиболее сложная отрасль лесного комплекса, связанная с механической обработкой и химической переработкой древесины. Она включает производство целлюлозы, бумаги, картона и изделий из них. Эта отрасль отличается:

- Высокой материалоёмкостью: для получения 1 т целлюлозы необходимо в среднем 5-6 куб. древесины;

- Большой водоёмкостью: на 1 т целлюлозы расходуется в среднем 350 куб.м. воды;

- Значительной энергоёмкостью:1 т продукции требует в среднем 2000 кВт/ч.

Следовательно, предприятия целлюлозно-бумажной промышленности должны ориентироваться на лесные ресурсы вблизи крупных водных источников. В основном они размещаются на европейской части страны.

На сегодняшний день производственная деятельность в отрасли осуществляется на 165 целлюлозно-бумажных и 15 лесохимических предприятиях. Несмотря на то, что Россия располагает самыми большими в мире лесными ресурсами леса (81,9 млрд. м3), а целлюлозно-бумажная промышленность могла бы стать локомотивом российской экономики, техническое состояние отрасли и её удельный вес в народном хозяйстве оставляет желать лучшего. Так, имеющиеся производственные мощности в ЦБП используются лишь на 35-50 %.

Бумага — листовой материал, состоящий в основном из растительных волокон, соответствующим образом обработанных и соединенных в тонкий лист, в котором волокна связаны между собой поверхностными силами сцепления. Помимо растительных волокон в последнее время при выработке специальных видов бумаги все чаще применяют волокна как синтетические органического происхождения, так и минеральные (асбестовые, стеклянные и др.). Крайне редко используют волокна шерсти. Кроме того, в бумаге могут содержаться проклеивающие вещества, минеральные наполнители и красители.

Свойства бумаги легче всего поддаются объяснению, если исходить из того, что бумага является упругопластическим капиллярно-пористым коллоидным материалом. Обычно при изготовлении разных видов бумаги применяют два, три и более волокнистых полуфабрикатов, образующих, таким образом, композицию бумаги по виду волокон. Иногда ее изготовляют из одного волокнистого полуфабриката, подготовленного для этого соответствующим образом. Очень часто в композицию бумаги вводят минеральные наполнители, проклеивающие и окрашивающие вещества.

В настоящее время мировая бумажная промышленность, выпускает свыше 600 видов бумаги и картона, обладающих разнообразными, а в ряде случаев совершенно противоположными свойствами: высокопрозрачные и почти совершенно непрозрачные; электропроводящие и электроизоляционные; толщиной в 4-5 мкм (т. е. в 10-15 раз тоньше человеческого волоса) и толстые виды картона, хорошо впитывающие влагу и водонепроницаемые (бумажный брезент); прочные и слабые, гладкие и шероховатые; паро-, газо-, жиронепроницаемые и др.

Это разнообразие свойств разных видов бумаги обеспечивает широкие возможности применения ее не только в быту и в качестве материальной основы для письма и печати, но и в различных областях народного хозяйства: химической, электро-, радиотехнической, пищевой, строительной и других отраслей.

Бумага — это листы или ленты, состоящие в основном из целлюлозных волокон, древесной целлюлозы и древесной массы, хлопка, льна и некоторых других, с массой 1 м2 до 250 г. Картон же имеет массу 1 м2 выше 250 г. Кроме того, бумага, как правило, однослойная, а картон — многослоен. Наряду с целлюлозными волокнами бумага может содержать наполнители (например, каолин — белую фарфоровую глину), проклейку (например, канифольный клей), подцветку (например, в виде синих и фиолетовых красителей) и обязательно около 7% влаги. При недостаточной влажности бумага становится жесткой, хрупкой, при избыточной — теряет прочность, становится чрезмерно пластичной.

Четкое различие между понятиями бумага и картон отсутствует. Условно принято считать, что картоном называют продукцию, имеющую массу 1 м2 более 250 г, толщину более 0,5 мм. Однако такое определение нельзя считать точным. Например, волокнистый материал, применяемый в текстильной промышленности и именуемый шпульной бумагой, имеет массу 1 м2 до 400 г при толщине 0,6 мм, в то же время некоторые виды бумажной продукции при толщине 0,1 мм и массе 1 м2 ПО—120 г. называют электроизоляционным картоном.

Актуальность написания данной работы обусловлена двумя основными причинами бурного развития мировой целлюлозно-бумажной промышленности. Первая из них - большая непрерывно растущая потребность населения и различных отраслей промышленности в разнообразных видах бумаги и картона. Вторая причина заключается в том, что из разных способов использования древесины производство целлюлозы и бумаги — одно из наиболее выгодных, поскольку выход готовой продукции по отношению к израсходованной древесине достигает в целлюлозно-бумажной промышленности 90—93 %.

2. Сырьевые материалы (полуфабрикаты) для производства бумаги и картона

Сырьем для изготовления разных полуфабрикатов является древесина девяти основных пород, используемых в различных соотношениях: ели, сосны, пихты, ольхи, лиственницы, тополя, березы, осины, бука. Наряду с этими породами в меньшем количестве используется также древесина эвкалипта, каштана, липы, дуба, клена и других пород. Указанное сырье делится на две группы: хвойные и лиственные породы древесины. Эти различия и определяют различия в свойствах волокон соответствующих полуфабрикатов.

Строение исходных волокон во многом определяет их бумагообразующие свойства. Волокна трубчатого строения способствуют получению пухлых видов бумаги, обладающих повышенной впитывающей способностью. Такие волокна требуют больше времени для фибриллирования. Из волокон ленточного строения обычно получается плотная прочная бумага с сомкнутой поверхностью. Толстостенные волокна (с толщиной стенки 6—8 мкм) легче фибриллируются, а тонкостенные (1,5—2 мкм) более подвержены поперечной рубке.

Волокна твердых пород древесины, как правило, обеспечивают непрозрачность, пухлость, воздухопроницаемость и впитывающую способность бумаги. Волокна мягких пород, наоборот, придают бумаге относительно более высокую прозрачность, плотную структуру и высокие показатели сопротивления разрыву.

Основным полуфабрикатом для производства бумаги является целлюлоза — продукт варки растительного сырья с кислотой (сульфитный метод), щелочью (сульфатный метод) или комбинированным методом. Выход обычной целлюлозы из древесины в зависимости от вида древесины и способа ее варки находится в пределах от 46 до 53%. Целлюлоза высокого выхода характеризуется выходом выше 53 и до 65%.

Целлюлозу получают, действуя на древесную щепу растворами слабых кислот или щелочи при нагревании и повышенном давлении в герметически закрытых котлах большой емкости, например объемом 300 м3. При этих условиях лигнин разрушается и переходит в раствор, а из древесины выделяются почти неповрежденные волокна целлюлозы. Лигнин (от лат. lignum — дерево, древесина) — вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток.

В соответствии с этим имеются два способа изготовления («варки») целлюлозы: сульфитный (кислотный) и сульфатный (щелочной).

По окончании варки целлюлозу выгружают («вываливают») через нижний люк котла в расположенный под ним бассейн, где ее отмывают от варочной жидкости. Промытая целлюлоза еще не представляет однородной волокнистой массы: в ней имеются размягченные, но сохранившие свою форму щепки, сучки, не поддающиеся варке, песок, попавший вместе с водой, и другие загрязнения. Поэтому целлюлозу сначала разделяют сепаратором на отдельные волокна, а затем последовательно освобождают от сучков, песка и других механических загрязнений. После этого целлюлозу отсортировывают от грубых неразработанных пучков волокон, костры и пр. на центробежной сортировке, а затем пропускают через центриклинер для тонкого, окончательного сортирования.

После окончательной очистки центриклинерами целлюлоза частично обезвоживается на сгустителях.

Сульфитный (кислотный) способ варки применяется преимущественно для изготовления целлюлозы из ели и древесины лиственных пород. Он не может быть использован для изготовления целлюлозы из смолистой сосны, так как слабая сернистая кислота не растворяет смолы, имеющиеся в сосновой древесине. Поэтому изготовление целлюлозы из сосны ведут по сульфатному (щелочному) способу.

Целлюлоза, сваренная из сосны по сульфатному способу, имеет исключительную прочность, во-первых, потому, что волокна сосны прочнее, чем у ели, и, во-вторых, из-за сравнительно мягких условий варки.

Однако небеленая сульфатная целлюлоза имеет настолько темный (бурый) цвет, что в таком виде может применяться только для изготовления особо прочных технических и оберточных видов бумаги, а также в качестве бумаги - основы для изготовления заменителей переплётных тканей.

Небеленая сульфитная целлюлоза имеет свинцово-серый цвет, сульфатная — бурый. В таком виде они непригодны для выработки многих видов бумаги и химической переработки на искусственный шелк, целлофан и др.

Беленая сульфатная целлюлоза из сосны — хороший заменитель тряпичной полумассы во всех видах печатных бумаг. Особенно желательно применение сульфатной беленой целлюлозы для изготовления обложечной бумаги, а также бумаги, от которой требуется большая механическая прочность (в том числе и прочность поверхности), например картографической.

Тряпичная полумасса — это волокна почти чистой хлопковой или льняной целлюлозы, получаемой из лоскута — отходов швейных фабрик, линтера — мелкого хлопкового пуха и тряпья — ношеной ткани. Продезинфицированное тряпье сортируют по характеру волокна, цвету и степени изношенности, затем режут на куски и варят в герметических котлах шарообразной формы, вращающихся вокруг своей горизонтальной оси, со щелочными растворами (сода, растворимое стекло, едкий натр) для удаления жировых загрязнений и частичного разрушения окраски. Проваренное тряпье выгружают из котла, отмывают от значительной части варочной жидкости и размалывают на полумассу, т.е. разделяют на отдельные нити и даже на волокна в полумассных роллах. Тряпичную полумассу отбеливают водными растворами гипохлорита натрия или кальция (хлорная известь), после чего она становится очень белой. Если отбеленная тряпичная полумасса рассчитана на продолжительное хранение или подлежит перевозке на другое предприятие, то из нее удаляют большую часть воды (обезвоживают) прессованием на гидравлических прессах.

Древесная масса — это волокнистый полуфабрикат, получаемый механическим истиранием древесины на дефибрере. Древесная масса может быть белой, беленой и бурой.

Белая древесная масса — это самый дешевый волокнистый полуфабрикат бумагоделательного производства, получаемый истиранием очищенных от коры метровых поленьев (балансов), на специальной машине — дефибрере. Дефибрер - машина в целлюлозно-бумажном производстве для получения древесной массы путём истирания древесины на вращающемся абразивном камне.

Химический состав белой древесной массы почти тот же, что и у древесины, из которой она изготовлена. Древесная масса содержит значительное количество лигнина. Ее волокна не способны самостоятельно образовывать прочную бумагу. Поэтому при изготовлении печатной бумаги белую древесную массу всегда смешивают с некоторым количеством сульфитной беленой или небеленой целлюлозы.

Однако древесная масса улучшает печатные свойства бумаги: повышает непрозрачность, пластичность, капиллярность, способность воспринимать полиграфические краски и прочно закреплять их избирательным впитыванием. Белая древесная масса имеет нежелательный желтоватый оттенок и делает бумагу несветопрочной и недолговечной. Поэтому надо применять ее осмотрительно, и только в тех бумагах, которые не требуют продолжительного хранения.

Бурая древесная масса, получаемая истиранием на дефибрере предварительно пропаренных в котлах балансов, имеет длинноволокнистое строение и применяется для изготовления древесно-массного бурого переплетного картона и прочной оберточной бумаги. Она непригодна для изготовления печатной бумаги из-за довольно темного цвета, который приобретают волокна при пропаривании (потемнение и частичное растворение лигнина).

Макулатура — старые ненужные книги, журналы, газеты, исписанные тетради и пр.— ценное вторичное сырье, позволяющее увеличить выпуск бумаги и картона. К макулатуре относятся также обрезки бумаги («лапша»), бракованные оттиски, поступающие с полиграфических предприятий, и оборотный брак бумажных фабрик (бумажные срывы, отходы бумаги). Этот полуфабрикат делится на три группы: макулатура бумажная, картонная и смешанная. Каждая группа в зависимости от состава волокон и цвета делится на марки. Удельный вес макулатуры в общем балансе волокнистых материалов бумагоделательного производства составляет пока всего 15%, но может быть повышен до 30 — 35%. Все это говорит о большом народнохозяйственном значении организации сбора и рациональной переработки макулатуры.

Поступающая на бумажную фабрику макулатура измельчается на гидроразбавителях, т.е. в ваннах с вращающимся внизу ротором. Готовая масса удаляется из ванны через отверстия сита вокруг вращающегося ротора.

Масса после гидроразбавителя подвергается очистке от тяжелых (металлические включения, песок) и легких (например, пластмасса, щепки) посторонних примесей. Удаление типографской краски без разрушения волокна производится в шаровых котлах, гидроразбавителях или бассейнах силикатом натрия в сочетании со щелочами, фосфорными солями в течение 1,5—2 ч при 80—90°. После волокнистая масса отделяется от промывочной жидкости на сгустителях или вакуумных фильтрах, а затем отбеливается перекисью водорода или перекисью натрия.