摘要
化学机械法制浆具有原料适应性广、纸浆得率高、流程紧凑、设备投资省等优点，在中国得到了迅速发展。本文回顾了改革开放以来，中国化学机械法制浆生产的发展历程。在总结经验的基础上，指出了生产中存在的问题，对相关问题进行了分析并提出解决的技术建议，为相关装备制造和化学机械法制浆企业生产提供参考。随着国家废纸限制进口政策的实施，造纸工业纤维原料缺口增大，非木纤维原料高得率制浆技术将迎来一个新的发展机遇。
高得率制浆（High Yield Pulping），是指木材或其他植物纤维组织经适当物理或化学预处理，依赖磨木机或盘磨机的机械作用分离成纸浆纤维的过程。与化学法制浆相比，高得率制浆具有原料利用率高和生产成本低等特点，在纸张松厚度、不透明度和印刷适应性等方面有明显优势。高得率制浆包括机械法制浆（Mechanical Pulping）和化学机械法制浆（Chemi-mechanical Pulping）。机械法制浆，是单纯利用机械作用将木材等纤维类植物组织解离成游离纤维的过程，纸浆得率通常为93%~96%，主要分为磨石磨木制浆（SGW）、压力磨石磨木制浆（PGW）、木片盘磨机械法制浆（RMP）、热磨机械法制浆（TMP）等。化学机械法制浆，是采用化学预处理和机械磨解处理结合的制浆方法，先用药剂进行轻度化学浸渍，半纤维素少量溶出，木质素较少溶出或基本不溶出，实现木片软化；使用盘磨机在高浓状态解离木片制成纸浆，制浆得率85%~93%，根据预浸药品和磨浆方式主要分为化学机械法制浆（CMP）、化学热磨机械法制浆（CTMP、CTMPc）以及碱性过氧化氢机械法制浆（APMP、P-RC APMP）等（见
20世纪80年代，吉林造纸厂引进了Sunds-Defiberator的TMP生产线，采用东北地区杨木进行生产，经过漂白生产新闻纸。随着天然林木材的减少，试图使用速生人工林生产，但纸浆品质较差。1987年改造成CTMP制浆方法，采用速生小黑杨生产CTMP纸浆，生产的新闻纸分别在吉林日报和人民日报等报社进行使用，印刷后的报纸字迹清楚、图片清晰；吉林造纸厂成为中国第一家采用CTMP制浆技术的工厂。国内自行设计和制造的第一套全国产化CTMP生产线，于1988年在福建顺昌纸板厂建立，日产30 t阔叶木CTMP浆，用做牛皮箱纸板的底层浆。
加拿大Kvaerner-Hymac公司研发了APP（Alkaline Peroxide Pulping）制浆技术。20世纪80年代，宜宾造纸厂引进了第一条APP制浆生产线，但运行效果并不理想。奥地利Andritz Sprout-Bauer后收购了Hymac公司化机浆业务，对APP技术进行改进，形成了APMP制浆技术。岳阳造纸厂是国内第一家引进APMP制浆技术装备的企业，但运行效果不尽理想，进行改造后，消耗指标和纸浆质量显著改观。20世纪90年代末，Andritz公司在APMP技术基础上研发了P-RC APMP （Pre-conditioning Refiner Chemical Treatment Alkaline Peroxide Mechanical Pulping）制浆技术。2003年世界第一条P-RC APMP生产线在岳阳造纸厂投产并运
图1 1995－2017年世界和中国的高得率浆产量
新型化机浆与传统机械浆有很大区别，已能够替代化学浆生产各类纸和纸板产品，主要有低定量涂布纸、超级压光纸、轻型纸、印刷书写纸、新闻纸、卫生纸等纸产品，以及液体包装纸板、白卡纸、白纸板等纸板产品。几种主要纸和纸板产品对化机浆的质量指标要求见
由于采用SGW、PGW和TMP工艺生产的阔叶木机械浆的强度很低，不能抄造超级压光纸、低定量涂布纸、新闻纸等印刷用纸。化学机械法制浆工艺大大提高了浆料强度，使阔叶木纤维在这些纸种中的应用成为可能。化学机械法制浆技术对木材纤维资源相对短缺的国家特别有利用价值。阔叶木树种的种植和轮伐期一般为5～8年。用于生产新闻纸和超级压光纸时，其加拿大标准游离度（Canadian Standard Freeness, CSF）一般为100～150 mL；生产低定量涂布纸时，其CSF为50～100 mL。商品高得率浆的游离度较生产低定量涂布纸所需游离度要高，因此上纸机前需要将浆料进一步调整至低游离度。新闻纸可用100％针叶木TMP抄造。针叶木高得率浆用于生产此纸种是为了提高纸张强度或降低长纤维化学浆的用量。尽管化学机械法制浆工艺使阔叶木纤维在新闻纸中的应用成为可能，但阔叶木高得率浆因其纤维较短，其撕裂度仍然较低；由于撕裂度对新闻纸来说非常重要，因此抄纸时常需配加化学浆以获得必要的撕裂度。
高得率浆最大的用途是用作多层纸板的芯层浆。芯层是纸板的主体部分，其主要功能是为纸板提供松厚度和弹性，多采用高松厚度的高得率浆。用于纸板芯层的高得率浆的游离度（CSF）一般为400 mL左右，白度为70%～80%。高得率浆可被直接使用，也可在上纸板机之前进行低浓打浆来调整。高游离度针叶木浆有很好的松厚度和抗张强度，但其作为芯层，纸板表面会比较粗糙，因此其仅限于在一些低档纸板中使用。在高档纸板中，使用高品质阔叶木高得率浆，可使纸板获得更好的表面平整性。
随着高得率浆在不含机械浆的印刷/书写纸等品种中的不断应用，所谓“不含机械浆”和“含机械浆”纸种之间的界线正逐渐消失。高白度阔叶木高得率浆已广泛应用于不含机械浆纸种中并为消费者接受。用于不含机械浆纸的典型商品高得率浆，其游离度（CSF）通常为250~400 mL、白度为83% ~86%，通常用来替代部分阔叶木硫酸盐浆。不含机械浆涂布纸中高得率浆的典型配用量为5%~15%，未涂布纸种其用量常为10%~25%。
过去使用阔叶木高得率浆的主要目的是为了降低浆料成本，随着使用经验的积累，高得率浆的松厚度和不透明度的特性得到很好利用，赋予了含高得率浆纸种的独特品质。在未涂布纸中，一般选用松厚度及游离度相对较高的高得率浆，以便充分利用高得率浆高松厚度及不透明度的优势。在生产涂布纸时，一般选用高抗张强度、低游离度的高得率浆。原纸经涂布后还可屏蔽一些光线，通过调整涂料配方，可将高得率浆的光诱导返黄值降至很小。
20世纪80年代到90年代初，高游离度的针叶木高得率浆因其低成本和高松厚度深受青睐，被广泛应用于卫生纸和纸巾类产品中。然而，在过去几年里尽管卫生纸和纸巾的总消费量不断增长，但高得率浆的应用却呈下降趋势。用于卫生纸产品中的针叶木高得率浆的游离度（CSF）一般为500~650 mL，阔叶木浆的游离度（CSF）为300~500 mL。对卫生纸和纸巾来说，吸水性和柔软性是最重要的使用性能。高松厚度预示高的吸水能力，同时也给予产品一定松厚柔软的感觉。高得率浆具有独特的高松厚度，与化学浆相比优势十分明显。虽然高得率浆在卫生纸产品中的应用尚存细小纤维含量高易导致纸张掉粉、黏附扬克烘缸以及易于返黄等问题，但随着高得率浆质量的不断改进，其应用潜力较大。
与化学浆不同，化机浆因生产工艺的特殊性，其浆料性质更多受到木材种类、木材的新鲜程度等纤维原料性质的影响。这就意味着对于化学机械法制浆生产，原料品质管理显得更加重要。一般来说，对于同一树种，木材原料的新鲜程度越好、基础白度越高、木片基本密度越低，生产出的化机浆质量越好。
（1）混合木片的影响。国内大部分化学机械法制浆生产线是采用商品木片进行制浆生产。采用进口木片的制浆生产问题不大，而采用国内小木片商供应的木片几乎无法控制产品品质，特别是木片中的树种情况十分复杂。目前化学机械法制浆技术，为了改善预浸效果，采用不同压缩比螺旋对木片进行挤压预处理，旨在排出木片中空气、疏松木片结构、提高比表面积，以改善浸渍性能。密度差异大的混合木片，在挤压时密度低（软）的木片首先受挤压产生形变，密度高（硬）的木片没有产生挤压，预浸的均一性达不到要求。
（2）木片新鲜程度的影响。高水分含量的新鲜木片非常有利于化学机械法制浆。新鲜原木经削片制取的合格木片含水率高达48%以上，此时木片组织的细胞腔中接近于水饱和状态，十分有利于药液的扩散作用，为后续磨浆和漂白提供了有利条件。木片风干后，木片组织的细胞腔中不再存有游离水，细胞液中可溶物干涸附着于细胞内壁，经过氧化和微生物作用，干涸物表面呈憎水性，对药液渗透产生阻滞作用。另外，长期堆放的木片，会产生腐败和热解作用，产生大量小分子物质，预浸时优先消耗化学品，化学品用量一定时，影响浸渍和软化效果。众所周知，相同材种，木片的原始白度直接影响纸浆漂白性能，表现为漂白化学品用量显著提高。
国内木材资源匮乏，工厂生产线难以保证稳定的纤维原料供应，不得不大量使用枝桠材、小径材、加工剩余物和商品混合木片，给企业的原料管理、生产工艺和产品质量的控制带来了很大难度。高得率浆企业在使用不同来源和种类木片组织生产时，应更加重视木片的分级分类。应用木片近红外检测分析系统已能够实现木片水分和化学成分的在线快速监
预浸软化是化学机械法制浆生产中的一个重要工序。在木片进入盘磨机磨浆之前，在一定的温度下采用化学品浸渍木片并反应一段时间，使木片产生润胀、组织结构松弛等变化，降低木片的力学硬度，实现木片的有效软化或磺化，减少后续磨浆过程中机械作用对纤维的过度切断和碎片化，改善纸浆的结合强度。
很多高得率浆生产线因使用混合商品木片在预浸软化时遇到很大问题。采用商品混合木片进行生产，很难实现均质预浸软化，导致磨浆电耗高、纸浆均一性差，特别是纤维筛分组分不合理、纤维束含量高，无法满足化机浆的高配比使用和达到高档纸产品的抄造要求。企业为了确保正常生产，只能采取成倍提高化学品用量的办法来强化浸渍作用，这不仅造成生产成本提高，纸浆松厚度和光学性能变差，而且导致废水污染负荷大幅度增加，废水难于处理等系列难题。
无论是采用CTMP工艺还是P-RC APMP工艺，生产线均配置了单螺旋挤压设备，采用螺旋锥轴直径先变小后变大锥形结构（变径）、螺旋叶片螺距逐渐变大结构（变距）的单螺旋挤压机对木片进行挤压撕裂，通过增强挤压后物料的吸液性能来提高预浸软化效果，挤压螺旋的压缩比分别为1∶2.8（CTMP工艺）和1∶4 ~ 1∶6（P-RC APMP工艺）。在生产使用混合木片时，挤压后物料很难达到干度75%和木片均匀撕裂的工艺要求；使用材性差异较大的木片生产时，则放大了单螺旋挤压效果不足的缺陷，导致阔叶木纤维原料问题更加突出。双螺旋挤压设备采取了动态挤压方式，获得了良好化学预浸和机械均质挤压的协同效应，特别适合处理材性差异大的木片原
磨浆操作是影响化学机械浆质量特别是纤维结合强度的重要工序。盘磨机的磨盘从圆心向外可分为3个环形区域，即破碎区、磨浆区和精磨区。软化后的木片经过喂料螺旋从定盘的中心进入磨片盘间区域，在离心力作用下首先进入破碎区，在稀疏分布的尺寸较大的粗齿作用下，对木片施加挤压和剪切作用力，木片尺寸迅速变小；再进入磨浆区，磨片上较细密的齿纹高频率、脉动式地对物料输入机械作用力，物料间形成摩擦、挤压形变，直至物料生物组织结构产生疲劳失稳而撕裂拆解，分离形成纤维束和单根纤维；精磨区齿纹更为细密，对浆料施加作用力的频率更高，纤维束进一步分离成纤维，使得纤维细胞壁不断发生形变，导致细胞壁层间结构疲劳，引起壁层的疏松错位及初生壁和S1层的破裂，产生所谓的分丝帚化作用，而形成合格的浆料。根据以上描述，破碎/磨浆/精磨区径向分配比例、磨浆和精磨区齿型（齿宽、齿高、齿宽/槽宽比、齿棒与磨盘半径的夹角、挡浆条的分布等）、磨齿材料的弹性模量、盘磨转速、磨浆浓度、温度等对磨浆效能和效果都有重要的影响。另外，大型盘磨磨浆时，连续稳定恒量进料、可控的、稳定的磨区与出浆口之间的压力差等对磨浆质量会产生重要影响。因此，设备参数和操作控制条件等因素都对磨浆效能和质量有密切的关系，配置高性能的磨浆机是生产高品质纸浆的重要保证。
为提高节能效果和改善纸浆结合强度性能，除了生产某些纸板用高游离度纸浆，高得率浆生产线一般都会配置两段磨浆工艺。早先的研究表明，采用高浓和低浓组合的磨浆工艺显示了较好的节能磨浆效果，但有更多的生产实践表明，阔叶木原料磨浆，采用两段高浓磨浆不仅改进了浆料的品质，同时取得了良好的节能效果。
很多人认为在化机浆漂白过程中，H2O2与NaOH之间存在比例关系。事实上，材种、预浸方式、磨浆程度和漂白方式都会对漂白效果形成影响。高得率浆漂白时，H2O2与NaOH之间的用量关系不存在固定比例，必须根据不同树种和每个厂的实际情况进行用碱量优化，确定合理的用碱量才能获得最佳的漂白效果（见
图2 NaOH用量对化机浆H2O2漂白白度的影响
生产线设备系统结垢严重是化学机械浆生产中存在的共性问题，特别是P-RC APMP工艺结垢现象更为明显。垢物主要由草酸盐、细小纤维、纸机白水湿部化学品和填料等形成，实际上H2O2漂白中适量的硅酸钠对结垢的贡献并不大。生产线设备系统必须定期进行除垢操作。保持生产线设备表面的光洁度可减少除垢操作的频次。生产设备系统除垢时，不宜采用钢丝刷或者强酸化学除垢。
纸机白水成分十分复杂，越来越多的企业强制提高纸机白水封闭回用程度，是导致生产系统结垢问题频发的主要原因。纸机白水回用前的适当处理，可显著缓解生产系统的结垢问题。
化机浆废水中的污染物质，主要来源于纤维原料中溶出的有机物、工艺过程中残余的化学药品和流失的细小纤维，废水呈棕红色。其有机污染物主要化学成分是木质素降解产物、 多糖和有机酸等，其中木质素降解产物占30%～40%，多糖占10%～15%，有机酸占35%～40%。化机浆废水有温度高、污染负荷大的特点，普遍采用以厌氧为核心的生物处理技术处理废水，包括水解、厌氧、好氧、混凝、深度处理等关键工序，典型流程见
图3 国内处理化学机械浆废水的典型流程
随着国家实施节能减排政策，国内化机浆吨浆耗水量从过去的20
Alfred H. Nissa
由于木材资源短缺和废纸进口的限制，造纸工业面临每年近2000多万t的纤维原料供应缺
早期的磨木浆，主要使用针叶木原木生产新闻纸、纸板芯层用浆，对浆料白度和强度要求不高。盘磨机械浆和热磨机械浆使木片磨浆成为可能。随着CTMP和P-RC APMP等新型化机浆工艺的出现，高得率浆生产不仅可以使用原木，还可以使用小径材和枝桠材为原料，并且由原先单一的针叶木树种拓展到阔叶木树种，提高了对木材原料的适应
麦草、竹子化机浆已能够用于本色纸和纸板的生
国内BCTMP和P-RC APMP化机浆生产线主要使用阔叶木（仅江西晨鸣和福建腾荣达等少数纸厂使用针叶木）纤维原料，多数沿海省份的企业大量使用风干商品木片进行制浆，材质和物料形状均不如新鲜木材；内陆省份虽然较少用商品木片，但所用木片多来源于小径材、枝桠材及加工剩余物，纤维来源杂、材质低劣。国内化学机械浆生产线已发展了数十年的历史，大规模发展起始于2003年，生产线的运行还有待完善和积累经验，电能、化学品和新鲜水用量指标均处于较高消耗水平，且纸浆的白度和强度等质量指标波动大，影响了纸浆的使用品级。
化学机械法制浆生产的直接成本主要来源于3个方面：纤维原料、电量和化学品，其中化学品主要由漂白化学品（NaOH、H2O2）和辅助漂白化学品组成，因此漂白技术的改进将为企业带来可观的经济收益。国内化机浆生产所用纤维原料主要为桉木、杨木、马尾松、杉木等速生树种，及其小径材、枝桠材、加工剩余物和进口商品木片。由于材性差异大、质量两极分化的商品木片的大量使用，造成了企业电耗高、化学品用量大、生产线运行状况不稳定的现状。一些化机浆厂的漂白单耗远高于原设定目标，为企业运行带来了沉重的经济负担，有很大的改进余地。从技术的实用性和生产试验结果来看，提高白度的RT-ATMP磨浆机漂白、喷放管线漂白、植入OBA增白的H2O2漂白等漂白技术可望在国内化机浆线上获得应
化学机械法制浆技术的发展需要着力解决以下4个方面的对立矛盾关系：①化学处理程度与制浆得率。化学机械法制浆实际上是一个热能、机械能和化学能的综合作用过程，利用3种能量方式的联合作用将木片组织解离成合格浆料。高得率浆得率与浸渍和漂白化学品用量密切相关，且与生产过程的污染负荷密切相关（见
图4 麦草CMP制浆得率与污染负荷CODCr的关系
化学机械法制浆代表了未来制浆技术的重要发展方向，是当今世界快速发展的新一代清洁制浆技术。采用温和的化学预处理和高效的磨浆和漂白技术的现代高得率制浆工艺，实现了对原料中纤维素、木质素和半纤维素的最大化利用。与传统化学法制浆工艺相比，具有如下方面的优势：①因保留了木质素，纸浆得率为82%~90%，纤维资源利用率比传统化学法制浆高1倍；②制浆过程仅辅助使用绿色化学品（NaOH和H2O2），其中，NaOH用量仅为3%~5%，为传统化学法制浆的1/5~1/8；③制浆、漂白均在高浓状态下同时完成，节约水资源，吨浆用水可以达到15
化学机械法制浆生产技术经过多年的发展，BCTMPc和P-RC APMP两种工艺路线已出现技术融合现象。一些原先用于APMP或P-RC APMP的专有技术，如经过对碱性H2O2对破碎木片的预处理技术原理的深入理解，已用于以阔叶木为原料的BCTMP或BTMP的技术改造中，开始强调挤压破碎对化学浸渍和磨浆的积极作用，从而提高纸浆白度、改善浆料物理性能；而最早用于BCTMP或BTMP的纤维细胞次生壁破碎理论、压力热磨理论也在新建的P-RC APMP生产线上看到其技术踪影。随着工厂新鲜水用量的限制及车间用水封闭循环程度的提高，原先用于BCTMP生产线的碱性、中性或酸性Na2SO3化学浸渍方式将因废水循环封闭使用程度的提高及含硫废水处理难度的增加而受到限制，阔叶木化机浆生产线将更倾向使用碱性H2O2作为化学浸渍处理手段。也因为同样的原因，其他酸性条件的漂白工艺也将受到一定程度的限制。
随着废纸限制进口政策的实施和国民经济对包装纸和纸板产品需求的日益增长，国内造纸工业每年对替代废纸的纤维原料需求缺口将达到2000多万t。纤维原料的短缺已影响到造纸企业可持续运行。非木纤维高得率浆是废纸的良好替代来源，国内多家大型造纸企业已将其纳入企业原料战略规划，部分项目已在施工建设中。可以预见随着非木纤维化学机械法制浆技术和装备的不断完善，我国高得率制浆技术将步入一个新的发展阶段。
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