紙漿綠色漂白技術(shù)

該文闡述了紙漿綠色漂白技術(shù)的工作機(jī)理，并通過應(yīng)用實(shí)例表明，利用空氣、水及綠色能源大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)制備綠色漂白化學(xué)品不僅可行，而且與傳統(tǒng)制備漂白化學(xué)品的方法相比，其在投資成本和操作費(fèi)用上更具競(jìng)爭(zhēng)力。

出于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和漂白化學(xué)品生產(chǎn)的安全可靠性等方面的考慮，已有紙漿生產(chǎn)商成功將“化學(xué)島”這一概念應(yīng)用到地處偏遠(yuǎn)地區(qū)并還使用二氧化氯、氧氣及少量過氧化氫漂白的紙漿廠——在紙漿廠附近建配套的化學(xué)品生產(chǎn)廠（鹽、氫氧化鈉、酸等化學(xué)品仍需外購(gòu)）。圖1為這些紙漿廠與化學(xué)品生產(chǎn)廠有機(jī)結(jié)合的“化學(xué)島”示意圖。

圖1　紙漿廠與化學(xué)品生產(chǎn)廠有機(jī)結(jié)合的化學(xué)島示意圖

二氧化氯的使用會(huì)限制回收爐對(duì)漂液的循環(huán)利用并影響超大規(guī)模漿廠的環(huán)保性能。來(lái)自工業(yè)界的反饋表明，綠色漂白概念的實(shí)施是一個(gè)很有前景的解決方案。該方案僅使用氧氣、臭氧及過氧化氫進(jìn)行紙漿漂白，且紙漿的品質(zhì)和生產(chǎn)成本與傳統(tǒng)漂白手段基本相同。紙漿綠色漂白概念具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）漂白化學(xué)品，如氧氣、臭氧及過氧化氫的現(xiàn)場(chǎng)制備可避免前體化學(xué)品的運(yùn)輸、生產(chǎn)和貯存；（2）漂白副產(chǎn)品可被轉(zhuǎn)化利用；（3）由于二氧化氯用量減少，工藝用水循環(huán)回路增多，漿廠的污水排放質(zhì)量得到改善（AOX、COD及色度負(fù)荷更低）；（4）碳足跡更少。

由于現(xiàn)代化漿廠能夠利用制漿過程中分離的生物質(zhì)發(fā)電，現(xiàn)場(chǎng)制備漂白化學(xué)品可以減少碳足跡。本文將表明，利用空氣、水和綠色能源大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)制備綠色漂白化學(xué)品不僅可行，而且從投資和操作費(fèi)用方面考慮，它比市售的漂白化學(xué)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。

1　綠色化學(xué)島

綠色化學(xué)島的概念如圖2所示。

圖2　紙漿廠與化學(xué)品生產(chǎn)廠有機(jī)結(jié)合的綠色化學(xué)島示意圖

綠色化學(xué)島可用于生產(chǎn)以下物質(zhì)：（1）由空氣和綠色電能制備氧氣；（2）由氧氣和綠色電能制備臭氧；（3）由水和綠色電能制備氫氣；（4）由氫氣、空氣和綠色電能制備過氧化氫。

表1顯示了桉木漿TCF漂白工藝概況。

表1　桉木漿TCF漂白工藝概況

根據(jù)表1，對(duì)桉木漿進(jìn)行綠色漂白時(shí)，達(dá)到最佳白度需要臭氧的添加量為5 kg/t（絕干漿），過氧化氫的添加量為6～20 kg/t（絕干漿）。

一家超大規(guī)模漿廠項(xiàng)目［產(chǎn)量150萬(wàn)t（絕干漿）/a，年運(yùn)行時(shí)間以355天計(jì)］的漂白化學(xué)品的日消耗量為22 t臭氧，85 t過氧化氫。

2　氧氣與臭氧的制備

制漿工藝使用的臭氧濃度通常為質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%。制備每千克臭氧僅需10 kW·h電能和8.3 kg氧氣。

臭氧生產(chǎn)廠設(shè)計(jì)緊湊，運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)便，只需3個(gè)操作單元便能達(dá)到22 t/d的產(chǎn)量，氧氣（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%）的消耗量為184 t/d。

真空變壓吸附（Vacuum Swing Adsorption，VSA）是當(dāng)今制氧領(lǐng)域最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，其投資和操作費(fèi)用較低溫制氧技術(shù)有所降低，且其現(xiàn)場(chǎng)制備只需消耗空氣和電能。為達(dá)到生產(chǎn)要求，建議安裝2套真空變壓吸附系統(tǒng)。將氧氣配送至臭氧廠需要的電能為0.3 kW·h每千克氧氣。

在臭氧段（Z段）出口，每天有162 t剩余氧氣用于其他用途，如氧脫木素、氧和過氧化氫強(qiáng)化的堿抽提段（Eop段）、白液氧化及廢液處理。Z段排放氧氣（尾氣）的壓縮成本較貯存額外容量的氧氣成本更低。壓縮尾氣所需的能耗為0.2 kW·h每千克氧氣。圖3顯示了整個(gè)工藝流程中氧氣所發(fā)揮的作用。

圖3　氧氣/臭氧流程

3　氫氣和過氧化氫的制備

生產(chǎn)85 t/d產(chǎn)量的過氧化氫所需的氫氣量為5.35 t/d。通常利用蒸氣改良工藝從天然氣或氯氣廠和/或次氯酸鈉廠尾氣制備氫氣?，F(xiàn)場(chǎng)制備氫氣的另一種辦法是聚合物膜電解技術(shù)（PEM）。該技術(shù)只需消耗電能和去離子水并已應(yīng)用于鍋爐回收系統(tǒng)；生產(chǎn)5.35 t/d的氫氣需要功率為13 MW的電解槽。圖4顯示了PEM的工作原理示意圖。

圖4　PEM的工作原理示意圖

圖5顯示了過氧化氫制備流程圖。過氧化氫制備在叫做“工作溶液”（working solution）的溶劑系統(tǒng)中進(jìn)行。蒽醌在過氧化氫制備過程中用作催化劑，烷基蒽醌氧化成相應(yīng)的烷基氫醌，烷基氫醌進(jìn)而被空氣中的氧氣氧化生成過氧化氫和烷基蒽醌。

用水將過氧化氫從溶劑系統(tǒng)中萃取出來(lái)，而烷基蒽醌經(jīng)再生處理后可循環(huán)使用。水萃取獲得的過氧化氫是否需要純化和/或濃縮視需要而定。此制備反應(yīng)中氫氣和去離子水用作原料，氧氣用作氧化劑，烷基蒽醌可回收和循環(huán)利用。

4　傳統(tǒng)漂白與綠色漂白的比較

由上，超大規(guī)模漿廠僅利用空氣、水和綠色能源來(lái)生產(chǎn)其所需的漂白化學(xué)品是可行的。由于避免了漂白化學(xué)品的直接購(gòu)買；且綠色能源由廢棄物產(chǎn)生，漂白的整體成本將顯著下降。綠色漂白使得濾液能夠循環(huán)利用，這也節(jié)省了額外開支。綠色漂白產(chǎn)生的堿性濾液不含氯化物，可在回收爐中循環(huán)回用，因而所有的氫氧化鈉不需經(jīng)過白液氧化制備，漂白成本可進(jìn)一步降低。臭氧段產(chǎn)生的酸性濾液最終被送往蒸發(fā)處理；顯然，蒸發(fā)處理的額外費(fèi)用應(yīng)與大型污水處理廠的投資成本和操作費(fèi)用均衡。綠色漂白將造就零污染漿廠。

圖5　過氧化氫制備流程圖

基于上面描述的綠色化學(xué)島概念，表2比較了一家年產(chǎn)150萬(wàn)t的漿廠使用傳統(tǒng)漂白和綠色漂白的有關(guān)運(yùn)行參數(shù)比較。

表2　漿廠傳統(tǒng)漂白和綠色漂白的有關(guān)運(yùn)行參數(shù)比較

由表2可見，綠色化學(xué)島概念的實(shí)施可提高漿廠產(chǎn)能，減少漿廠對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)降低了運(yùn)營(yíng)成本和資本性支出。這個(gè)新項(xiàng)目尚處于前期研究階段，但對(duì)有遠(yuǎn)見的漿料生產(chǎn)商來(lái)說，現(xiàn)在考慮使用綠色漂白技術(shù)正逢其時(shí)。

（申正會(huì)編譯）