Использование макулатуры в производстве картона и бумаги

Основные технологические операции

Во всем мире признано, что наиболее эффективным путем переработки картонно-бумажных отходов является их использование в производстве тароупаковочных видов бумаги и картона, санитарно-гигиенической бумаги, в производстве мягких кровельных материалов (рубероид, пергамин), в производстве бугорчатых прокладок. Кроме того, макулатура используется в производстве волокнистых плит и теплоизоляционных материалов.

В России макулатура используется в производстве около 70 видов бумаги и картона.

Основная часть макулатуры (до 75%) используется для производства туалетной бумаги и картона (коробочного, тарного, гофрокартона). До 20% макулатуры используется в производстве кровельных материалов. На территории России имеются 27 предприятий использующих макулатуру для производства бумаги и картона и 14 предприятий используют макулатуру в производстве кровельных материалов. 

Наиболее крупными потребителями макулатуры в России являются: Санкт-Петербург КБК (до 18%), Набережно-Челнинский КБК (10,4%), Алексинская КФ (12%), Ступинская КФ (9,8%), Балахнинский ЦКК (5,5%), Суоярвская КФ (4,2%).

Сегодня объем образования макулатуры оценивается в 2-2,5 млн. т в год, а объем использования – около 1,2 млн. т в год. Общий объем производства бумаги и картона (в 2003 год) оценивается в 6,3 млн. т.

Предприятие по производству картона и бумаги, а также мягких кровельных материалов являются многотоннажными и все они используют мокрую технологию. Эти предприятия потребляют основную часть макулатуры (более 95%).

Переработка макулатуры для использования в производстве бумаги и картона заключается в подготовке волокнистых материалов – макулатурной массы – к использованию в производстве бумаги или картона. 

Основная цель подготовки макулатурной массы заключается в восстановлении листообразующих свойств волокнистых материалов макулатурной массы (целлюлозы и древесной массы), для чего необходимо создать условия для поглощения воды и набухания волокон, освобождения их поверхности от посторонних веществ (клеевых частиц, частиц наполнителя, отделения частиц типографской краски и т.д.) очистке макулатурной массы от посторонних примесей, а также от ороговевших частиц волокна.

В целом переработка макулатуры (подготовка макулатурной массы) включает следующие операции:

• роспуск макулатуры на волокна;
• очистку макулатурной массы от тяжелых примесей;
• дороспуск макулатурной массы;
• очистку макулатурной массы от легких примесей;
• тонкую очистку макулатурной массы;
• размол макулатурной массы.

Роспуск макулатуры

Роспуск макулатуры – это приготовление суспензии макулатурной массы в воде. Роспуск макулатуры осуществляется при концентрации 4-6% в специальных аппаратах – гидроразбивателях. Типовой гидроразбиватель состоит из ванны, ротора с лопатками специальной конструкции, электродвигателя, грязевой камеры. Макулатуру загружают в гидроразбиватель, где под действием гидромеханических усилий бумаги и картон набухают и происходит их измельчение на кусочки и роспуск на волокна (Рис.1).

Под ротором гидроразбивателя расположено сито (отверстие диаметром 10-14 мм). Суспензия макулатурной массы проходит через сито и поступает в грязевую камеру, где осаждаются крупные тяжелые примеси, затем масса из грязевой камеры поступает назад в гидроразбиватель. Грязевая камера периодически очищается от примесей. Гидроразбиватели, как правило, оборудованы жгутовытаскивателями – трос или толстую веревку опускают в ванну и в процессе роспуска веревки, нитки, пленка, текстильные материалы наматываются на трос и постепенно вынимаются из ванны – таким образом удаляют часть пленки, текстиля, проволоки. При отстутствии жгутовытаскивателя указанные загрязнения сбивают в комок, который периодически удаляют из ванны.

Макулатурная масса после гидроразбивателя содержит волокна, пучки волокон и нераспустившееся кусочки макулатуры.

Гидроразбиватели, по своей конструкции, бывают с вертикальным расположением ротора и с горизонтальным. Объем ванны гидроразбивателя в среднем составляет от 1-2 м3 до 20 м3 и более. Производительность гидроразбивателя обычно составляет 5 т/сутки на 1 м3 объема. Время роспуска макулатуры оставляет примерно 5-15 мм.

Очистка массы от тяжелых примесей

Суспензия макулатурной массы после гидроразбивателя содержит посторонние примеси, наличие которых при последующей обработке приводит к порче оборудования, более быстрому износу его деталей, браку готовой продукции, поэтому для последующего использования масса должна быть очищена.

Современные технологии предусматривают очистку массы от мелких тяжелых примесей на очистителях циклонного типа, работающих, как правило, при высоких концентрациях (до 5%). Эти очистители (например, ОМ) имеют тангенциальный вход, корпус конического типа в нижней части которого расположены заслонки и грязевая камера . Выход массы осуществляется из верхней части циклона . Работа вихревых очистителей основана на использовании центробежной силы, в результате, чего тяжелые загрязнения отбрасываются к стенке корпуса и опускаются в грязевую камеру, куда может подаваться чистая вода с целью снижения потерь волокна. Удаляемые в очистителях загрязнения – песок, стекло, скребки, скобки и т.п. (Рис.2).

Дороспуск макулатурной массы

В целях повышения производительности процесса роспуска и сокращения расхода электроэнергии, роспуск макулатуры в гидроразбивателях заканчивают на стадии, когда суспензию можно перекачивать насосом.

Окончательное разделение кусочков (лепестков) и пучков на волокна осуществляется на специальном оборудовании – энтштиперах различной конструкции. Рабочим органом энтштипера является ротор и статор с несколькими рядами колец гарнитуры, сцепленных друг с другом. 

Кольца гарнитуры имеют выступы, количество которых возрастает от центра и периферии, а расстояние между ними уменьшается от центра и периферии. Зазор между статором и ротором устанавливается 0,5-2 мм. Масса подается в энтштипере через центрально расположенное отверстие, проходит между выступами гарнитуры подвергаясь гидромеханическому воздействию, и выходит через патрубок на корпусе. Концентрация подаваемой массы составляет 3-6%.

В результате прохождения массы через энтштипер происходит ее роспуск на волокна. В качестве оборудования для дороспуска макулатурной массы используются также пульсационные, дисковые и конические мельницы (оборудование, используемое для размола волокнистых материалов). 

Очистка макулатурной массы от легких примесей

К легким примесям можно отнести нераспустившиеся кусочки бумаги и картона (а также узелки, лепестки, костру), кусочки полимерных материалов и покрытий, кусочки текстиля и др.

Очистка от легких примесей осуществляется на сортировках различной конструкции и при различных концентрациях макулатурной массы. В зависимости от загрязненности макулатурной массы и вида из изготавливаемой картонно-бумажной продукции сортирование может проходить в несколько стадий. 

Грубое сортирование – как правило, проводится при концентрации массы 1-3% на вибросортировках (виброситах) с круглыми или щелевыми отверстиями. Вибросортировка состоит из корпуса, лотка в виде корыта и расположенным над ним ситом с отверстиями размером 2-10 мм (Рис.3)

Сито приводится в движение вибратором через электродвигатель. Частота колебаний сита составляет 1450 об. /мин. при амплитуде до 2 мм. Сверху сортировка закрывается крышкой. Суспензия макулатурной массы подается на верхнюю часть сита. Под действием вибраций хорошая масса проходит через сита, а примеси перемещаются к концу сита и удаляются в специальный желоб. Для снижения потерь массы подается вода на спрыск удаляемых примесей. 

Для более тонкого сортирования макулатурной массы применяют центробежные (напорные) сортировки (Рис.4). Отличительной особенностью центробежных сортировок является неподвижно расположенное в корпусе цилиндрическое сито со щелевыми или круглыми отверстиями, внутри которого вращается ротор с лопастями различной конструкции. Суспензия макулатурной массы подается внутрь сита, хорошая масса проталкивается через отверстия (или щели) сит и удаляется через разгрузочный патрубок, а загрязенения и примеси удаляются через патрубок для удаления отходов.

Сортировки работают при высокой (3-5%), средней (2-3%) и низкой (0,5-1,5%) концентрациях макулатурной массы.

Тонкая очистка макулатурной массы

Окончательная очистка макулатурной массы от узелков, точечных вкраплений и мелкого песка осуществляется на вихревых конических очистителях при концентрации массы 0,1-1% (отечественные установки рассчитаны на работу при концентрации 0,5%).

Все типы очистителей в широком диапазоне производительности и назначения имеют принципиально одинаковую конструкцию (Рис.5). Суспензию макулатурной массы подают в верхнюю часть циклона тангенциально. Тяжелые и крупные частицы отбрасываются за счет центробежной силы к стенке и опускаются в нижнюю часть циклона, а очищенная масса выводится через разгрузочный патрубок в верхней части циклона. 

Вихревые конические очистители устанавливают, как правило, в три ступени (реже в четыре). Отходы от очистителя первой ступени подаются во вторую (с целью снижения потерь волокна), очищенная масса подается в поток на вход первой ступени, а загрязнения направляются на третью ступень.

Очищенная масса после третьей ступени подается на вход второй ступени, а отходы удаляются.

Таким образом, после дороспуска и очистки от загрязнений макулатурная масса готова для использования в композиции бумаги и картона. Одной из операций подготовки волокнистой массы к использованию является размол. 

Размол макулатурной массы

Размол заключается в увеличении удельной поверхности волокнистых материалов и развитии межволоконных связей. Размол сопровождается двумя процессами – уменьшения длины волокна (измельчение) и создание новых участков межволоконных связей (фибрилляция).

Волокна древесной массы грубо можно представить в виде длинного гладкого прутика, тогда размол для волокон древесной массы, в основном, происходит за счет уменьшения длинны волокна.

Волокна целлюлозы можно представить в виде длинной веревки, тогда размол целлюлозы сопровождается как уменьшением длины веревки (измельчение) так и, грубо говоря, разлохмачиванием веревки, что и представляет собой создание участков для развития межволоконных связей. 

В волокнах целлюлозы ( в меньшей степени в волокнах древесной массы) «лохматость» создается за счет фибрилл (иначе направление процесса размола на развитие межволоконных связей называется фибрилляцией).

В макулатуре волокнистые материалы находятся в высохшем виде, при этом происходит их усадка, ороговение, часть поверхности волокон блокирована клеевыми частицами, наполнителем, краской и пр. Все это приводит к уменьшению способности волокон к набуханию. Изменения, происходящие с волокнами являются необратимыми, следствием чего является ухудшение физико-механических свойств.

Однако при соответствующей механической обработке (в том числе и размоле) можно частично улучшить физико-механические свойства массы за счет создания новых участков межволоконных связей.

Размол проводится на конических, дисковых, пульсационных мельницах с зазором между статором и ротором от 0,5 до 2 мм.

Прочие методы подготовки макулатурной массы

Одним из способов дополнительного сортирования макулатурной массы с целью ее более рационального использования является фракционирование. Целью последнего является отделение длинноволокнистой фракции макулатурной массы. Как правило, длинноволокнистая фракция обогащена волокнами хвойной целлюлозы, имеющих большую длину, чем волокна древесной массы.

Многие виды картона и бумаги имеют сложный состав, включающий битум, воск, парафин, клей и другие вещества. Указанные вещества при переработке макулатуры загрязняют оборудование, забивают сетки и сукна бумагоделательных и картоноделательных машин, налипают на поверхность сушильных цилиндров и т.д. Такая макулатура подвергается термомеханической обработке, которая осуществляется после очистки макулатурной массы при концентрации 25-35%. Целью термомеханической обработки является диспергирование примесей до размеров, при которых их отрицательное действие на процесс дальнейшей переработки не сказывается. Существует два способа термомеханической обработки – холодный и горячий. При холодном способе диспергирование проводится при атмосферном давлении и температуре до 950С, а при горячем – при повышенном давлении до 0,3-0,5 МПа и температуре 130-1500С.

Основные особенности использования макулатуры в производстве картона и бумаги

В зависимости от качества макулатуры и вида производимой картоно-бумажной продукции некоторые из указанных операций на практике могут быть исключены.

При изготовлении бумаги или картона концентрация волокнистой массы в большинстве случаев составляет около 1%.

Формирование бумаги осуществляется на сетке бумагоделательной машины. При этом часть волокна, мелкие обломки волокна, частицы наполнителя и т.д. проскакивают через сетку. При очистке оборотных и сточных вод образуется отход – скоп, содержащий до 40-50% минеральных частиц (наполнителя). Состав скопа определяется составом используемой макулатуры.

Мокрая технология переработки макулатуры характеризуется высокой энергоемкостью производства (при сушке бумаги и картона используется пар с температурой до 2000С м выше), высоким расходом воды 30-60 куб. м/т, большим объемом сточных вод.

Мощность предприятий по переработке макулатуры составляют от нескольких десятков тыс. тонн до 200 тыс. т/год.

Существующие в России мощности по многотоннажной переработке макулатуры пока не задействованы полностью. Основная их часть введена в эксплуатацию до 1990 года. В 1990 году предприятия России использовали 1.6 млн. т макулатуры в год, а в 2000 году объем использования макулатуры оценивается в 1,2 млн. т. 

Следует отметить, что до 1990 года рост объемов использования макулатуры шел, в основном, по пути замещения первичных волокнистых материалов - целлюлозы и, главным образом, древесной массы. В результате сложилось положение, когда использование макулатуры в композиции бумаги и картона достигло своего предела.

Учитывая, что одним из основных направлений использования макулатуры (после картона) до 1990 года являлось производство оберточной бумаги, а объемы ее производства сегодня незначительны, указанное положение наступит в России в ближайшие годы. 

Дальнейший рост потребления макулатуры возможен путем использования нового перспективного оборудования (сортирующих гидроразбавителей; оборудования для дороспуска, сортировок и фракционирования макулатурной массы, термодисперсионных установок и др.); технологий обесцвечивавания и удаления типографской краски и других примесей из макулатуры; новых проклеивающих материалов; новых перспективных технологий получения бумаги и картона; новых видов бумаги и картона, а также пересмотр требований к некоторым широко используемым видам бумаги и картона с целью увеличения использования в их композиции доли макулатуры; наращивания объемов использования макулатуры в композиции писче-печатных видов бумаги, в первую очередь в композиции газетной бумаги.

Исходя из сложившегося положения сегодня многотоннажные производства потребляют полностью высококачественные картонно-бумажные отходы и значительную часть отходов среднего качества. В ближайшие годы следует ожидать дефицит сортированных видов макулатуры первых шести марок. Эти марки макулатуры будут иметь высокую коммерческую цену.

Практически во всех регионах России невостребованной остается низкосортная и смешанная макулатура, которая может быть переработана на малотоннажных установках.