Tính toán, thiết kế hệ thống nồi nấu trong dây chuyền sản xuất bột giấy năng suất 130 000 tấn/năm

- Tìm hiểu công nghệ sản xuất - Tính cân bằng vật chất - Tính công nghệ - Tính cơ khí - Tính chọn các thiết bị phụ trợ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯTính toán, thiết kế hệ thống nồi nấu trong dây chuyền sản xuất bột giấy

năng suất 130 000 tấn/năm

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG HÓA VÀ KHSS Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ

Họ và tên sinh viên: Phạm Đức Duy Số hiệu sinh viên: 20190771 Khoá: 64Khoa: Kỹ thuật Hoá học Ngành: Máy & Thiết bị Công nghiệp Hóa chất – Dầu khí

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Vũ Hồng Thái

1 Đầu bài thiết kế:

Tính toán, thiết kế hệ thống nồi nấu trong dây chuyền sản xuất bột giấy

năng suất 130 000 tấn/năm

2 Các số liệu ban đầu:

- Năng suất: 130 000 tấn/năm

- Các số liệu khác: Tham khảo thực tế từ Công ty Cổ phần Giấy An Hòa

3 Yêu cầu về phần thuyết minh và tính toán:

- Tìm hiểu công nghệ sản xuất

- Tính cân bằng vật chất

- Tính công nghệ

- Tính cơ khí

- Tính chọn các thiết bị phụ trợ

4 Yêu cầu về trình bày bản vẽ ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):

01 bản vẽ sơ đồ dây chuyền công nghệ, khổ A0

04 bản vẽ lắp thiết bị, khổ A0

5 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 23 tháng 09 năm 2024

6 Ngày hoàn thành đồ án: 24 tháng 01 năm 2025

Ngày 24 tháng 01 năm 2025

Giảng viên hướng dẫn

PGS TS Vũ Hồng Thái

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT GIẤY

1.1 Tổng quan về ngành giấy

1.1.1 Vài nét về lịch sử ngành giấy

Giấy là một trong những phát minh lâu đời và có giá trị của nền văn minh nhân loại.Những tờ giấy cổ xưa từ sơ sợi thực vật đã được tìm thấy có niên đại từ năm 206 trước CôngNguyên đến năm 220 sau Công Nguyên, thuộc triều đại nhà Hán ở Trung Quốc Lịch sử đãghi nhận, năm 105, Thái Luân ở Trung Quốc là người đầu tiên hoàn thiện chu trình xeo giấybằng phươg pháp thủ công (dùng liềm xeo), góp phần to lớn đưa nghề giấy lên một giai đoạnphát triển mới Không lâu sau đó, nghề làm giấy với phương pháp tương tự như của ngườiTrung Hoa cũng đã xuất hiện tại vùng đất Giao Chỉ đất Việt thời bấy giờ

Ở Việt Nam, theo các nghiên cứu lịch sử, từ thế kỷ thứ III, người Việt ở Giao Châu đã biếtdùng vỏ cây mật hương làm thành giấy bản Sau đó, kỹ nghệ làm giấy ở nước ta liên tụcđược phát triển qua các thời kỳ và từ đó xuất hiện nhiều làng nghề giấy truyền thống Khởiđầu của nền công nghiệp giấy nước ta được xem là từ việc xây dựng nhà máy giấy Đáp Cầu,nay là Công ty cổ phần Giấy Hoàng Văn Thụ ở Thái Nguyên do Pháp đầu tư năm 1913, cùngvới việc thành lập Công ty Giấy Đông Dương thời đó Bên cạnh nhà máy giấy còn có nhàmáy bột giấy ở Việt Trì, nay là Công ty Cổ phần Giấy Việt Trì, năng suất 4000 tấn/năm,chuyên cung ứng bột giấy cho nhà máy giấy Đáp Cầu

Đến nay, những tên tuổi như nhà máy giấy Bãi Bằng (Tổng công ty Giấy Việt Nam),Công ty Cổ phần Giấy Việt Trì, Công ty Cổ phần Tập đoàn Tân Mai, Công ty cổ phần GiấySài Gòn, Công ty Cổ phần HAPACO, Công ty Cổ phần Giấy An Hòa, cùng với trên 400doanh nghiệp sản xuất giấy và bột giấy trên cả nước đã tạo nên nền công nghiệp giấy ViệtNam đang phát triển cả về quy mô lẫn chủng loại sản phẩm, đáp ứng nhu cầu giấy ngày càngtăng

1.1.2 Tình hình sản xuất bột giấy và giấy

Theo báo cáo của UNECE/FAO năm 2011, trên thế giới có khoảng 6000 nhà máy sảnxuất bột giấy và các bán thành phẩm xơ sợi, với tổng sản lượng trung bình các năm 2006 –

2010 đạt trên dưới 220 triệu tấn/năm; 8880 nhà máy sản xuất giấy và cactong các loại, vớisản lượng trung bình 350 triệu tấn/năm; hàng ngàn doanh nghiệp, cơ sở sản xuất vừa và nhỏ

đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về giấy và các sản phẩm từ giấy Năm 2013, lượng giấy tiêudùng cả nước đạt gần 3 triệu tấn, nhưng sản lượng mới chỉ đạt 2,1 triệu tấn, tăng khoảng17% so với năm 2012 Nhập khẩu giấy vẫn còn lớn, đạt gần 1 triệu tấn.

Theo báo cáo giấy, bột giấy quý 3/2023 Việt Nam: Ngành giấy Việt Nam đã có sự đầu tư

ấn tượng kể từ năm 2018, đặc biệt từ năm 2022 có tốc độ đầu tư thực sự rõ nét và mạnh mẽ

- Tuyên Quang là khu vực sản xuất bột giấy lớn nhất

- Giá nhập khẩu bột giấy có xu hướng biến động mạnh hơn trong quý 2/2023

- Ngành Giấy Việt Nam có tốc độ phát triển trung bình khoảng 11-14%/năm

GDP ngành giấy, bột giấy tính trong 9 tháng đầu năm 2023 tăng 4.24%, chỉ cao hơn tốc

độ tăng của 9 tháng các năm 2020 và 2021 trong giai đoạn 2011-2023

Dịch vụ là lĩnh vực đóng góp nhiều nhất với 68.57%. Trong 9 tháng đầu năm 2023, sốlượng đơn hàng giảm, nhu cầu yếu và chi phí đầu vào tăng cao khiến cho sản xuất côngnghiệp đối mặt với nhiều khó khăn

Theo số liệu thống kê của Hiệp hội Bột giấy và Giấy Việt Nam, giá bột chưa tẩy (UKP)nguyên liệu chủ yếu cho sản xuất giấy làm bao bì trong tháng 1/2024 trung bình là 660USD/tấn, giảm 5,7 % so với trung bình tháng 12/2023 Giá bột hoá trắng gỗ mềm (BSKP)nguyên liệu chủ yếu cho sản xuất giấy bao bì, bao gói trong tháng 1/2024 trung bình 785USD/tấn, không thay đổi so với trung bình tháng 12/2023 Giá bột bạch đàn (BEK), thuộcbột hóa trắng gỗ cứng, trong tháng 1/2024 trung bình là 645 USD/tấn, tăng 3,2% so vớitrung bình tháng 12/2023 Giá bột hóa nhiệt cơ tẩy trắng (BCTMP) trong tháng 1/2024 trungbình là 550 USD/tấn, giảm 0,9% so với trung bình tháng 12/2023

Theo thống kê của ngành Giấy Việt Nam, tổng tiêu dùng trong tháng 12/2023 đạt487.443 tấn, giảm 13,7% so với tháng 11/2023 Tổng sản xuất trong tháng 12/2023 đạt545.845 tấn, giảm 4% so với tháng 11/2023 Tổng nhập khẩu trong tháng 12/2023 đạt209.218 tấn, giảm 18,9% so với tháng 11/2023 Tổng xuất khẩu trong tháng 12/2023 đạt223.501 tấn, tăng 6,1% so với tháng 11/2023

Hình 1.1 Giá bột giấy trung bình nhập khẩu khu vực châu Á

Hình 1.2 Số liệu thống kê của ngành giấy Việt Nam tháng 12 năm 2023 so với

tháng 11 năm 2023

Việc cân bằng giữa phát triển sản xuất và bảo vệ môi trường là một ưu tiên quan trọng đểđạt được sự bền vững trong tương lai Sự phát triển nhanh chóng của thương mại điện tửthúc đẩy nhu cầu bao bì giấy, đặc biệt là các loại bao bì tái chế, thân thiện với môi trường Xuhướng này được hỗ trợ bởi các chính sách môi trường và chiến lược kinh tế tuần hoàn màcác doanh nghiệp ngành giấy đang triển khai Các nhà đầu tư lớn như SCG Packaging (TháiLan) và Tetra Pak đang tăng cường đầu tư tại Việt Nam, với các dự án lớn ở Vĩnh Phúc vàBình Dương Tổng giá trị đầu tư lên đến hàng trăm triệu USD nhằm nâng cao sản lượng vàhiện đại hóa công nghệ Các hiệp định thương mại tự do thế hệ mới (EVFTA, CPTPP,RCEP) tạo điều kiện thuận lợi cho ngành giấy Việt Nam tiếp cận thị trường quốc tế, đặc biệt

là các nước châu Âu và khu vực Thái Bình Dương Trong nước, tiêu thụ giấy và bột giấytăng trưởng đều đặn (khoảng 5-6% mỗi năm) Sản xuất giấy bao bì chiếm 86% tổng sảnlượng giấy, phục vụ mạnh mẽ nhu cầu xuất khẩu và tiêu dùng nội địa

Nhìn chung, ngành giấy và bột giấy Việt Nam đang tăng trưởng tốt, đặc biệt nhờ nhu cầubao bì từ thương mại điện tử và xu hướng sản phẩm thân thiện với môi trường Tuy nhiên,ngành vẫn cần cải thiện khả năng thu gom và tái chế để đảm bảo phát triển bền vững trongdài hạn

1.2 Lý thuyết nấu bột giấy

1.2.1 Nguyên liệu cho sản xuất bột giấy

Thành phần chính của bột giấy là xenlulozo, một polyme tự nhiên có nguồn gốc thực vật,

vì vậy nguyên liệu sản xuất bột giấy là các loại thực vật xơ sợi, tức gỗ và một số loại lâm sảnngoài gỗ, phế phụ phẩm ngũ cốc, trong đó gỗ rừng là nguyên liệu chủ yếu

Gỗ, một sản phẩm có nguồn gốc sinh học, là tổ hợp phức tạp cả về cấu tạo cũng như thànhphần hóa học Người ta có thể tìm thấy trong gỗ hầu hết các loại chất hóa học có trong tựnhiên, nhưng bất kỳ loại gỗ nào cũng có ba nhóm chất hữu cơ chính, đó là các polysaccarit(bao gồm xenlulozo và hemixenlulozo), lignin và các chất trích ly, trong đó đáng quan tâmhơn cả là xenlulozo và hemixenlulozo Về cấu tạo, gỗ có hai loại, gỗ cây lá kim thuộc loại gỗmềm (softwood) và gỗ cây lá rộng thuộc loại gỗ cứng (hardwood) Thành phần hóa học củachúng có sự khác biệt rõ rệt Gỗ cây lá kim chứa nhiều lignin hơn trong thành phần (27 -

30%), ít hemixenlulozo hơn (20 - 25%), trong gỗ cây lá rộng các thành phần tương ứng là 18– 24% và 25 – 35%.

Theo số liệu thống kê, trên thế giới hiện có trên 50 loài cây được dùng làm nguyên liệusản xuất giấy, trong đó có 38 loài gỗ cứng và 13 loài gỗ mềm

Hiện nay các loại gỗ nguyên liệu giấy ở Việt Nam bao gồm:

- Keo tai tượng (Acacia mangium)

Cây keo tai tượng được đưa vào trồng thí điểm ở nước ta vào những năm 1980, hiện nayđang là nguồn nguyên liệu chính của các nhà máy sản xuất bột giấy và doanh nghiệp chếbiến dăm mảnh xuất khẩu Khối lượng riêng của gỗ Keo tai tượng vào khoảng 460 - 500kg/m3 , tùy thuộc vào điều kiện sinh trưởng và độ tuổi khai thác Gỗ keo tai tượng có thànhphần hóa học trung bình như sau: 48 - 50% xenlulozo, 23 - 36% lignin, 19 - 22% pentozan, 3

- 5% các chất trích ly và 0,3 - 0,5% các chất vô cơ Với thành phần hóa học này, gỗ keo taitượng rất phù hợp làm nguyên liệu sản xuất bột giấy Thực tế cho thấy, nấu bột giấy sunfatvới mức sử dụng kiềm hoạt tính khoảng 20 - 22% so với nguyên liệu khô tuyệt đối, có thểcho hiệu suất bột đạt 46 - 48% Tuổi khai thác thích hợp nhất đối với keo tai tượng là khoảng

5 - 7 tuổi Đối với các vùng lập địa khác nhau, cấu tạo của gỗ keo tai tượng có thể khác nhau,thường hay bị rỗng lõi nếu điều kiện lập địa không đáp ứng nhu cầu sinh trưởng

- Keo lá tràm (Acacia auriculiformis)

Cây Keo lá tràm, hay còn gọi là Tràm bông vàng, được trồng rộng rãi trên khắp cả nước

và cũng là nguồn nguyên liệu sản xuất giấy chủ yếu Tuy nhiên, thời gian gần đây, diện tích

và tương đương với gỗ Bạch đàn trắng, dao động trong khoảng 600 kg/m3 Keo lá tràm có 46

- 47% xenlulozo, 25 - 35% lignin, 19 - 20% pentozan và 5 - 6% các chất trích ly

Keo lá tràm là loài cây phát triển tương đối nhanh, có thể khai thác ở độ tuổi từ 5 - 7 năm.Nấu bột giấy sunfat với mức sử dụng kiềm khoảng 20% so với nguyên liệu khô tuyệt đối, cóthể cho bột hiệu suất đạt 45 - 47% Cần chú ý rằng, Keo lá tràm có hàm lượng các chất trích

ly cao, có thể ảnh hưởng xấu tới quá trình xử lý bột sau khi nấu

- Keo lai (Acacia mangium x Acacia auriculiformis, Acacia auriculiformis x Acacia

mangium)

Là giống Keo được lai tự nhiên hoặc nhân tạo giữa Keo tai tượng và Keo lá tràm, có ưuđiểm về sinh trưởng, năng suất, đặc biệt là hàm lượng xenlulozo, lignin và pentozan cao hơn

so với Keo tai tượng và keo lá tràm, nhưng Keo lai dễ bị sâu bệnh, khả năng chống chọi gióbão kém Tỷ trọng gỗ của Keo lại vào khoảng 500 - 625 kg/m3 Hàm lượng xenlulozokhoảng 50 - 51% Tương tự như các loại Keo khác, nấu bột sunfat với mức sử dụng kiềmkhoảng 20% trong điều kiện thích hợp có thể cho bột có trị số Kappa khoảng 20 đơn vị vàhiệu suất đạt 49 - 50%

- Bạch đàn

Trong số các loại gỗ cứng, thì Bạch đàn là loại cây có khối lượng thể tích tương đối cao

Ở Việt Nam, hiện phổ biến và phù hợp làm nguyên liệu giấy hơn cả là Bạch đàn urô

(Eucalyptus urophylla) và Bạch đàn trắng caman (Eucalyptus camaldulensis) Hai loại cây

này có tốc độ sinh trưởng khá nhanh Bạch đàn urô có thành phần hóa học phù hợp làmnguyên liệu sản xuất bột giấy, bao gồm 47 - 48% xenlulozo, 23 - 25% lignin, 19 - 20%pentozan, 2 - 3% các chất trích ly và 0,4 - 0,5% các chất vô cơ

Ngoài hai loại Bạch đàn trên, Bạch đàn lai (Eucalyptus urophyllax Eucalyptus

camaldunensis), Bạch đàn têrê (Eucalyptus tereticorrnis) cũng có thể sử dụng làm nguyên

liệu giấy Cây Bạch đàn có thể phát triển được trong mọi điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng,vùng ngập mặn, đồi trọc…vì vậy hiện nay gỗ Bạch đàn là loại nguyên liệu phổ biến cho sảnxuất bột giấy

Bột giấy từ nguyên liệu gỗ Bạch đàn trắng sản xuất theo phương pháp nấu sunfat có hiệusuất 45 - 46% cao hơn so với bột sản xuất từ một số loại giấy khác, như Bồ đề, Mỡ

- Bồ đề (Styrax tonkinensis)

Là loại cây có nhiều ở miền Bắc nước ta Trong nhiều năm qua, tuy Bồ đề được trồng quy

mô lớn ở vùng miền Trung, nhưng nhược điểm canh tác là năng suất chưa cao và làm độ phìnhiêu của đất ngày càng xấu, môi trường ít được cải thiện Gỗ Bồ đề tương đối đồng nhất,không có lõi, tỷ lệ thấp, có hàm lượng xenlulozo tương đối cao (khoảng 45%), nhưng hàmlượng các chất tan trong nước và dung dịch kiềm cũng cao, là nguyên liệu tốt cho sản xuấtbột giấy Đối với loại nguyên liệu này, công nghệ nấu bột thích hợp là phương pháp sunfat,hiệu suất bột có thể đạt 45 – 46% Mặc dù vậy, hiện nay Bồ đề hoặc Mỡ ít được sử dụng làmnguyên liệu giấy

- Gỗ lá kim

Gỗ lá kim được sử dụng cho sản xuất bột giấy bao gồm các loại Thông, Tùng, Tần bì,…

có hàm lượng nhựa thấp Ở nước ta, Thông phát triển nhiều ở Tây Nguyên, như ở các tỉnh

Gia Lai, Kon Tum, Đắk Lắk, Lâm Đồng, chủ yếu là Thông ba lá (Pinus kesiya) Ở miền Bắc, Thông caribe ( Pinus caribaea) phát triển nhiều ở Đại Lải, Vĩnh Phúc Thông là loại nguyên

liệu có độ bền cơ học cao, dùng để sản xuất giấy bao bì, giấy đặc biệt Gỗ thông là nguyênliệu tốt nhất để sản xuất bột cơ Về cấu tạo, gỗ lá kim là nguyên liệu tốt cho sản xuất bộtgiấy, nhất là sản xuất bột cơ, nhưng cây gỗ lá kim sử dụng cho sản xuất bột giấy phải là loại

có hàm lượng nhựa thấp, trường hợp ngược lại, khi sử dụng sẽ gây ảnh hưởng tới quá trìnhvận hành, tiêu hao hóa chất và chất lượng giấy

1.2.2 Lý thuyết nấu kiềm

1.2.2.1 Tính chất của dịch nấu

Trong công nghiệp, dịch nấu kiềm có thành phần tương đối phức tạp Dịch trắng nấu xútchứa thành phần chính là hydroxit natri và một lượng nhỏ cacbonat natri Thành phần hoạttính của dịch trắng nấu sunfat là NaOH và Na2S Ngoài ra, do trong quá trình thu hồi hóachất, phản ứng xút hóa và khử sunfat natri diễn ra không hoàn toàn, mà trong dịch trắng nấusunfat còn có các muối cacbonat natri và sunfat natri, một lượng nhỏ các hợp chất lưu huỳnhcủa natri, như thiosunfat, polysunfua, aluminat, silicat, Sự có mặt của các hợp chất nàyliên quan tới các phản ứng diễn ra trong quá trình thu hồi hóa chất

Trong dịch nấu xút, hydroxit natri phân ly theo phương trình sau:

NaOH → Na+ + OH−

và thành phần hoạt tính là hydroxyl anion

Tương tự, trong dịch nấu sunfat, cùng với sự phân ly của NaOH, diễn ra thủy phân Na2

S theo phương trình phản ứng sau:

Na2S+ H2O → NaOH + NaSH

và sự phân ly của hydrosunfua natri vừa được tạo thành theo phương trình sau:

NaSH → Na+ + SH−

Vì vậy, các phần tử hoạt tính của dịch nấu sunfat là anion hydroxyl và anion hydrosunfua.Chúng là các thành phần tham gia trực tiếp vào các phản ứng phân hủy các thành phần củanguyên liệu (gỗ hoặc phi gỗ).

Thành phần dịch nấu kiềm được quy ước đánh giá theo một số chỉ tiêu, trong đó hàmlượng của các muối natri được biểu thị bằng một đơn vị tương đương, thường là đơn vị Na

2O (đôi khi theo đơn vị NaOH) Đơn vị của chúng được quy đổi như sau:

đv NaOH = đv Na2O× 1,29 và ngược lại: đv Na2O = đv NaOH × 0,775

Kiềm hoạt tính là lượng NaOH trong nấu xút, hoặc tổng lượng (NaOH + Na2S) trong nấusunfat Tổng lượng kiềm hoạt tính và muối cacbonat (NaOH + Na2CO3) khi nấu xút (NaOH+ Na2S + Na2CO3) hay khi nấu sunfat, gọi là tổng kiềm chuẩn được, còn giá trị (NaOH +1/2Na2S) được gọi là kiềm hiệu dụng

Độ sunfua = NaOH Na 2 S +Na 2 S(%);

Độ xút hóa = NaOH NaOH

Mức thu hồi = Na 2 S Na 2 S +Na 2CO 3 (%)

Như vậy, theo các chi tiêu và tính chất nêu trên, dịch trắng nấu sunfat có ba thành phần:

- Kiểm hoạt tính: NaOH và Na2S;

- Tổng kiềm chuẩn được: NaOH+Na2S + Na2CO3;

- Tổng kiềm: toàn bộ các hợp chất của natri

Trong thực tế, độ sunfua có thể dao động trong khoảng 25 – 40%, với công nghệ - hiệnđại, độ xút hóa thông thường 75 – 85% và mức thu hồi có thể đạt 95 – 99%

Mức dùng kiềm (mức sử dụng kiềm) là lượng kiềm hoạt tính (tính bằng % so với nguyênliệu khô tuyệt đối) cần cấp cho nấu Trong thực tế, mức dùng kiềm thường vào khoảng từ 18

- 22%

Tỷ dịch là tỷ lệ giữa khối lượng của nguyên liệu khô tuyệt đối (tính bằng tấn) và khốilượng chất lỏng (bao gồm dịch nấu và nước chứa trong nguyên liệu, tính bằng m3) Trongthực tế, tỷ dịch nấu thưởng vào khoảng từ 1:3 đến 1:8 Nấu sunfat gián đoạn đối với nguyênliệu gỗ thường áp dụng tỷ dịch 1:4, còn nấu liên tục thường được tiến hành với tỷ dịch 1:3

Tàn kiềm là lượng kiềm hoạt tính còn lại trong dịch đen sau nấu, được xác định bằngphương pháp chuẩn độ.

Nồng độ kiềm hoạt tính trong dịch trắng sử dụng cho nấu thường dao động trong khoảng

90 – 120 kg/m3 Khi tiến hành nấu, sau khi cấp dịch trắng vào nồi nấu, dịch nấu được phaloãng bằng một phần dịch đen tái sử dụng và nước chứa trong nguyên liệu, khi đó nồng độkiềm hoạt tính giảm xuống còn 30 – 40 kg/m3 Với nồng độ đó (tương ứng 1 – 2 mol/l), dịchnấu có độ pH ban đầu tương đối cao (khoảng 13 – 14) Trong quá trình nấu, kiềm tác dụngvới các thành phần của nguyên liệu và tạo thành các hợp chất tan trong dịch đen Khi gần kếtthúc nấu, nồng độ kiềm hoạt tính giảm chỉ còn khoảng 3 – 5 kg/m3, tức giảm gần 10 lần sovới nồng độ ban đầu, nhưng pH của dung dịch (dịch đen) chỉ thay đổi không đáng kể, vẫn ởmức khoảng 12 – 13 Nguyên do là sự có mặt của một lượng lớn các muối natri khác nhauđược tạo thành từ các axit vô cơ yếu và các axit hữu cơ trong dung dịch vào thời điểm kếtthúc nấu, tạo thành một dung dịch đệm, nhờ vậy mà pH của dịch nấu sau khi kết thúc nấuvẫn tương đối cao, thậm chí kể cả khi toàn bộ lượng kiểm hoạt tính trong dịch nấu đã bị tiêuhao cho các phản ứng với các chất hữu cơ của nguyên liệu

Các muối natri của các axit yếu có trong dịch trắng (muối sunfua, cacbonat và sunfit) bịthủy phân một phần tạo thành các muối axit Mức độ thủy phân của các muối này phụ thuộcvào nhiệt độ, nồng độ của chúng và sự có mặt của ion hydroxyl tự do trong dung dịch Khi

pH ~ 12, sunfua natri gần như bị thủy phân hoàn toàn thành hydrosunfua, trong khi đó ionbicacbonat xuất hiện trong dung dịch với số lượng đáng kể chỉ khi pH = 10 Với pH = 8,trong dung dịch xuất hiện hydrosunfua và axit cacbonic tự do Khi có một lượng dư NaOHtrong dung dịch, sự thủy phân của các muối nêu trên diễn ra tương đối khó khăn hơn Nhiệt

độ không ảnh hưởng nhiều tới quá trình thủy phân Chẳng hạn, đối với dịch nấu ở 25°C,40% Na2S bị thủy phân thành NaHS, còn ở 165°C tương ứng là 75 – 85% NaHCO3 có thểđược tạo thành ở cuối quá trình nấu, còn NaHSO3 thì hầu như không có

Trong điều kiện nấu kiểm, tất cả các thành phần của nguyên liệu đều tham gia vào phảnứng với các tác nhân của dịch nấu ở một mức độ nào đó, các sản phẩm phân hủy bao gồmphần lớn là lignin, một phần polysaccarit và các chất trích ly tan vào dung dịch và hình thànhdịch đen Tổng cộng có tới trên dưới 50% nguyên liệu ban đầu bị hòa tan Số lượng và thànhphần các sản phẩm phân hủy phụ thuộc vào loại nguyên liệu và chế độ nấu

Khi nấu, kiềm bị tiêu hao cho các phản ứng với lignin, hòa tan polysaccarit, trung hòa cácaxit hữu cơ chứa trong nguyên liệu và các oxy axit tạo thành từ polysaccarit trong quá trìnhnấu, các phản ứng với các chất trích ly, đồng thời một phần kiềm bị hấp phụ trên bề mặt xơsợi Chỉ có khoảng 25% tổng lượng kiềm hoạt tính tiêu hao cho hòa tan lignin, còn lại tiêuhao cho các phản ứng phụ nêu trên Tổng thể, ở cuối quá trình nấu, trong dịch đen chỉ còn lại

65 – 80% sunfua natri và một lượng nhỏ NaOH

1.2.2.2 Diễn biến của quá trình nấu kiềm

Có thể nói, quá trình nấu kiềm (nấu xút hay nấu sunfat) bao gồm các giai đoạn diễn ra liêntục theo trình tự sau đây:

- Nguyên liệu được ngâm tẩm bằng dịch nấu, tức dịch nấu được thẩm thấu vào sâutrong tận vách tế bào của nguyên liệu thực vật

- Kiềm hoạt tính hấp phụ lên bề mặt chịu phản ứng của dăm mảnh nguyên liệu, các tácnhân của dịch nấu thâm nhập qua vách tế bào, làm trương nở mô thực vật;

- Các phản ứng hóa học diễn ra ngay tức khắc, giữa các tác nhân của dịch nấu với cácthành phần của nguyên liệu, trong đó chủ yếu là lignin bị phân hủy mạnh, một phầnhemixenlulozơ và xenlulozơ đồng thời cũng bị phân hủy, các trích ly và các chất vô

cơ bị hòa tan;

- Các sản phẩm phân hủy nguyên liệu khuếch tán và hòa tan vào dung dịch, còn lại là

xơ sợi, có thành phần chủ yếu là xenlulozơ, hemixenlulozơ, chứa các tạp chất làlignin, các chất trích ly, các chất vô cơ chưa bị hòa tan;

- Trong dung dịch tiếp tục diễn ra các biến đổi hóa học của các sản phẩm mới tạo thành

và các quá trình phụ được tiếp diễn, tới khi tạo thành các hợp chất thấp phân tử, bềnhóa học ở điều kiện nấu

Kết thúc quá trình nấu ta thu được huyền phù bột xơ sợi lẫn trong dung dịch (dịch đen),

có nồng độ khoảng 20% Để thu được bột phù hợp cho sản xuất giấy, cần phải xử lý qua cáccông đoạn tiếp theo, như rửa bột, sàng chọn, làm sạch bột và tẩy trắng

Cơ chế của quá trình tẩm nguyên liệu bao gồm thẩm ướt và tẩm khuếch tán Ở giai đoạnnày, không khí trong các mao quản của nguyên liệu thực vật được đẩy ra nhờ quá trình thấm

ướt diễn ra một cách tự nhiên bởi các lực hút mao quản và dưới tác dụng của áp suất ngoàimao quản, được tạo ra trong nồi nấu bằng cách xông hơi hay cấp dịch nóng.

Sự thẩm thấu của dịch nấu vào nguyên liệu chủ yếu diễn ra theo chiều dọc + xơ sợi Nếudăm mảnh được thẩm thấu không đều, phần bên trong sẽ khó được “nấu chín”

Quá trình khuếch tán, diễn ra nhờ sự khác nhau về nồng độ các chất của dịch nấu bênngoài và bên trong nguyên liệu, được mô tả bằng định luật Fick thứ nhất:

sử dụng dăm mảnh có chiều dày lớn hơn 5 mm

Sự trương nở của nguyên liệu được đánh giá bởi mức trương nở Q:

là những dấu hiệu lignin bắt đầu tan

Sự tồn tại một quá trình hấp phụ trong diễn biến của quá trình nấu là điều đã được khoahọc xác định tương đối rõ ràng, cho dù trên thực tế khó có thể phân biệt được đâu là giới hạngiữa sự hấp phụ và hấp thụ hóa học của kiểm vào nguyên liệu Quá trình hấp phụ kiểm trên

bề mặt dăm mảnh nguyên liệu diễn ra trước khi bắt đầu các phản ứng hóa học Hấp phụ kiềmđược bắt đầu ngay khi nguyên liệu tiếp xúc với dịch nấu và đạt mức tối đa sau 60 – 90 phútnấu Kiềm hấp phụ càng nhiều, tốc độ các phản ứng càng cao Các ion OH- và HS- hấp phụnhanh hơn nhiều so với ion Na+ là yếu tố quyết định vai trò của chúng trong phản ứng vớilignin

Các phản ứng hóa học giữa các thành phần của dịch nấu với các thành phần của nguyênliệu bao gồm kích hoạt, làm đứt các liên kết trong đại phân tử lignin và trong tổ hợp lignin-cacbohydrat, diễn ra trong giai đoạn gia nhiệt, dưới tác dụng của các ion hydroxyl vàhydrosunfua, thâm nhập vào nguyên liệu Các phản ứng này bao gồm phản ứng phân hủycác liên kết ete, phản ứng sunfua hóa lignin, phản ứng tách các nhóm axetyl và một số nhómthể mạch nhánh ra khỏi các đại phân tử polysaccarit Các phản ứng này làm tan một phầnnguyên liệu, tạo thành lignin “tan”, xà phòng hóa các axit nhựa và axit béo, hòa tanglucomannan và xylan mà không làm thay đổi cấu tạo hóa học của chúng.

Cơ chế thủy phân và hòa tan lignin và hemixenlulozơ có sự khác biệt Các đại phân tửlignin bị phân hủy một cách vô trật tự, tại các liên kết bị suy yếu dưới tác dụng của kiềm Kếtquả tạo thành các mảng phân tử có phân tử lượng rất khác nhau, chúng lại phản ứng vớikiềm và các hợp chất khác trong dung dịch, bị trương nở và hòa tan vào dung dịch

Các tác nhân của dịch nấu di chuyển vào sâu bên trong nguyên liệu theo các bó mạch Saukhi lignin bị phân hủy, tạo thành các phần tử hình cầu (các hạt lignin) có đường kính 30 – 90

A, chúng khuếch tán từ vùng giữa các vi sợi vào dung dịch

Dưới tác dụng của kiềm, các đại phân tử hemixenlulozơ bị thủy phân và bị phân hủy đồngđều hơn Các đoạn phân tử tan vào dung dịch, tại đó các phản ứng tách mắt đầu chuỗi (phảnứng bào mòn), thủy phân và khử trùng hợp được tiếp diễn, cho đến khi tạo thành các oxyaxit

Theo mức độ tách loại lignin và hòa tan hemixenlulozơ, kích thước các bó mạch tăng,nhờ đó các hạt lignin có kích thước lớn hơn được hòa tan vào dung dịch

Sự khuếch tán của dịch nấu vào vách tế bào diễn ra từ phía lumen Vì vậy, ở các giai đoạnđầu của quá trình nấu, lignin được tách loại từ phân lớp vách thứ sinh S3 và từ phân lớp liền

kề S2) Khi tiếp tục quá trình, lignin của nhân tế bào bị hòa tan và nhân biến mất khi khoảng70% lignin bị tách loại Cuối cùng là lignin của các góc tế bào bị hòa tan Sau đó nhân tế bào

bị phân hủy và dăm mảnh nguyên liệu được tách thành các xơ sợi riêng biệt Các hợp chấthữu cơ có gốc axit, tạo thành trong qua trình nấu, được trung hòa bởi kiềm và khuếch tán vàodung dịch

Ở giai đoạn cuối của quá trình nấu có thể diễn ra các biến đổi hóa học và các quá trìnhphụ, như phân hủy các mảng phân tử lignin và hemixenlulozơ, phản ứng ngưng kết lignin,kết bám lignin và hemixenlulozơ lên bề mặt xơ sợi

1.2.2.3 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình nấu kiềm

ôn giữa), để đảm bảo cho nguyên liệu được thấm ướt tốt

- Bảo ôn, tức là giữ ở nhiệt độ tối đa trong một thời gian nhất định

- Dỡ bột, kéo theo nhiệt độ và áp suất giảm, có thể tới áp suất thường

Nấu sunfat được tiến hành ở nhiệt độ tối đa trong khoảng 160 – 180 °C (tương ứng với ápsuất trong nồi nấu 0,8 – 1,0 MPa), tùy thuộc vào dạng nguyên liệu và chất lượng bột cần đạt.Trong khoảng nhiệt độ nêu trên, để đạt được cùng một hiệu suất bột, cứ tăng nhiệt độ lên10°C thì có thể giảm thời gian bảo ôn xuống hai lần, còn khi nấu xút, thời gian nấu có thểgiảm thậm chí gấp ba lần, cho dù thời gian nấu xút thường kéo dài hơn do quá trình tách loạilignin diễn ra chậm

Tùy thuộc vào loại bột thu được, thời gian nấu có thể dao động trong một khoảng rộng, từmột đến vài giờ Khi nấu gỗ cứng, nhiệt độ nấu thường không vượt quả 170°C, vì nếu nấu ởnhiệt độ cao hơn, hiệu suất bột có thể giảm rõ rệt

Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ, người ta sử dụng hệ số H, do Brum suy ra từ địnhluật Arrhenius:

K = Ko.e −E RT

Trong đó, K – hằng số vận tốc ở nhiệt độ bảo ông

Ko - hằng số vận tốc ở nhiệt độ bất kỳ nào đó;

E – năng lượng hoạt hóa;

T – nhiệt độ tuyệt đối;

R – hằng số khi (R = 8,31 J/mol)

Brum đã lấy một số giá trị sau: ở nhiệt độ T = 373 K (100 °C), hằng số vận tốc của phảnứng Ko = 1, E = 134 kJ/mol (theo tính toán của Laroc và Maas) Sau khi lấy logarit ở nhiệt độbất kỳ lớn hơn 373 K, phương trình hoạt hóa có dạng sau:

In K = 43,2 - 16113T Theo phương trình này, các hằng số vận tốc tìm được sẽ có giá trị tương đối, phản ánhtương quan giữa tốc độ nấu và nhiệt độ Có bảng số liệu, trong đó liệt kê các giá trị hằng sốvận tốc tương đối ở các nhiệt độ khác nhau

Hệ số H (H–factor) là chỉ số của quá trình nấu, đặc trưng cho mối liên hệ giữa thời gian

Hình 1.3 Tương quan giữa nhiệt độ, hằng số vận tốc tương đối và thời gian nấu.

Điều khiển quá trình nấu sunfat theo hệ số H là phương pháp tương đối phổ biến trongcông nghiệp Nếu biết trước thời gian nấu cần thiết ở một nhiệt độ T1, nào đó, thì có thể xácđịnh được thời gian nấu ở một nhiệt độ T2 như sau: tìm các giá trị hằng số tương đối KT1, K

T2 và tính thời gian nấu, với điều kiện hệ số H bằng nhau, khi đó:

KT 2 τ1

Ngoài ra, nhiệt độ còn có ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng bột Khi tăng nhiệt độcao hơn 180°C, hiệu suất của bột sẽ giảm nếu cần thu bột có hàm lượng lignin như nhau Dopolysaccarit bị thủy phân kiềm, nên độ nhớt và độ bền cơ học của bột bị giảm ở thời điểmnấu sớm hơn, so với khi bảo ôn ở nhiệt độ thấp hơn (hình 5.2) Vì vậy xu hướng trong côngnghiệp là giảm nhiệt độ nấu, nhằm thu được bột có độ nhớt thấp hơn và độ bền cơ học caohơn

 Nồng độ và mức dùng kiềm hoạt tính

Nồng độ kiềm hoạt tính trong dịch nấu và mức dùng kiềm là các yếu tố quan trọng quyếtđịnh tốc độ nấu Trong quá trình nấu, nồng độ kiềm trong dịch giảm 8 – 10 lần, do chúng bị

tiêu hao cho trung hòa các axit hữu cơ tạo thành khi phân hủy các thành phần của nguyênliệu.

Lượng kiềm hoạt tính cần thiết để phân hủy lignin và kết hợp với các sản phẩm có gốcaxit được gọi là mức dùng kiềm theo lý thuyết Lần đầu tiên, nhà hóa học Thụy Điển Klason

đã tính được mức dùng kiềm theo lý thuyết đối với gỗ mềm là 12% Na2O so với nguyên liệukhô tuyệt đối Trên thực tế, không thể tiến hành nấu theo mức dùng kiểm theo lý thuyết, bởitrong điều kiện như vậy sẽ không bao giờ đạt mức độ tách loại lignin theo dự định Ngoài ravới nồng độ kiềm thấp, có thể xảy ra hiện tượng lignin sẽ bám kết trên bề mặt xơ sợi Vì vậy,cần tiến hành nấu với một mức dùng kiềm cao hơn so với theo lý thuyết Lượng kiềm dư sovới lý thuyết này sẽ là dung môi hòa tan các sản phẩm phân huỷ các thành phần của nguyênliệu trong quá trình nấu

Mức dư kiềm chiếm khoảng 10 – 15% của mức dùng kiềm đối với bột có trị số Kappa cao

và có thể chiếm tới 40% đối với bột có trị số Kappa thấp Với hiệu suất bột trong khoảng 40– 48%, bằng cách tăng mức dùng kiềm gấp hai lần sẽ giảm được thời gian nấu xuống hai lần

mà vẫn đạt được hiệu suất tương đương Song song với với tác dụng thúc đẩy tách loạilignin, tăng mức dùng kiềm có thể làm polysaccarit bị phân hủy và hòa tan nhiều hơn Mối liên hệ giữa nồng độ kiềm hoạt tính ban đầu và mức dùng kiềm, tỷ dịch được mô tảbằng phương trình sau:

A = Co.10ν Trong đó: A – mức dùng kiềm hoạt tính (% so với nguyên liệu khô tuyệt đối); Co – nồng

độ kiềm ban đầu (g Na2O/lít); v – tỷ dịch (m3 dịch trên 1,0 tấn nguyên liệu khô tuyệt đối) Khi nấu, người ta bổ sung vào nổi nấu một lượng dịch đen để tăng nồng độ kiểm trongdịch nấu, duy trì tỷ dịch cần thiết và tiết kiệm nước, hóa chất Lượng dịch đen cần bổ sungphụ thuộc vào nồng độ kiềm trong dịch trắng và độ ẩm của nguyên liệu ban đầu, chiếmkhoảng 20 – 25% tổng lượng dịch nấu, tùy thuộc vào chất lượng cần thiết của bột

Như vậy, mức dùng kiểm, nồng độ kiềm trong dịch nấu, nhiệt độ bảo ôn và thời gian nấu

là những thông số công nghệ có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, có ảnh hưởng quyết định tớiquá trình nấu

Từ những mối liên hệ nêu trên của các yếu tố công nghệ, ta có nguyên tắc điều chỉnh quátrình nấu thứ nhất (để thu được bột có hiệu suất và tính chất tương đương):

- Khi sử dụng dịch nấu có nồng độ kiềm hoạt tính cao, cần giảm nhiệt độ bảo ôn hoặcgiảm thời gian nấu;

- Khi muốn kéo dài thời gian nấu, cần giảm mức dùng kiềm và nhiệt độ nấu;

- Với nhiệt độ bảo ôn cao, cần giảm mức dùng kiềm hoặc giảm thời gian nấu

 Độ sunfua của dịch trắng

Cũng như các yếu tố công nghệ nêu trên, độ sunfua của dịch nấu có ảnh hưởng lớn đếnquá trình nấu sunfat Các ion hydrosunfua tạo thành nhờ phân ly sunfua natri, tham gia vàocác phản ứng với lignin, thúc đẩy sự hòa tan lignin, mà hầu như không ảnh hưởng đến tốc độhòa tan polysaccarit Vì vậy thời gian nấu giảm so với nấu xút với mức tách loại lignin tươngđương

Tính theo lý thuyết, tiêu hao lưu huỳnh cho phản ứng với lignin vào khoảng 10 kg/tấnnguyên liệu gỗ khô tuyệt đối Quy đổi sang kiểm hoạt tính tương đương với 2% Na2O so với

gỗ khô tuyệt đối Vì vậy, nếu tiến hành nấu với mức dùng kiểm 20% Na2O, độ sunfua tốithiểu cần thiết là: (2/20).100 = 10%

Khi nấu sunfat nguyên liệu gỗ mềm, tăng độ sunfua từ 0 – 16% có thể thúc đẩy quá trìnhnấu tương đương với việc tăng nhiệt độ lên cao hơn 7 – 8 °C, bên cạnh đó bột thu được vớihiệu suất đương nhưng hàm lượng lignin giảm 1,5 lần Ảnh hưởng tốt của Na2S tiếp tụcđược duy trì khi tăng độ sunfua tới 40% Tuy nhiên, khi nấu với độ sunfua 75 – 100%, mứchòa tan lignin bị chững lại, hàm lượng bột sống tăng Nguyên do là với độ sunfua cao, hàmlượng NaOH trong dịch nấu giảm và lignin khó tách loại do trong dung dịch không đủ lượngNaOH cần thiết để hòa tan các sản phẩm tạo thành

Đối với nguyên liệu là gỗ cứng, ảnh hưởng có lợi của Na2S được biểu hiện ngay cả khi độsunfua của dịch nấu thấp, độ sunfua khoảng 5% đã có thể thúc đẩy mạnh quá trình nấu và cảithiện tính chất của bột so với nấu xút

Công nghệ nấu sunfat hiện đại sử dụng dịch nấu có độ sunfua 25 – 40%, thường là 25%.Khi nấu xút và nấu sunfat, để đạt được cùng một mức tách loại lignin tương đương, sự cómặt của sunfua natri trong dịch nấu sunfat làm giảm được thời gian nấu, tăng hiệu suất bột,nhờ khả năng bảo vệ polysaccarit và thúc đẩy quá trình hòa tan lignin Ngoài ra, các chỉ số

độ bền cơ học của bột sunfat cũng cao hơn so với nấu xút

Ở cùng một điều kiện nấu sunfat, tăng độ sunfua của dịch nấu sẽ giảm được hàm lượnglignin trong bột thu được, tăng hiệu suất và một số tính chất cơ học của bột như độ dài đứt,

độ bền uốn và độ bền nén

Mặc dù vậy, tăng độ sunfua của dịch nấu cũng kéo theo một số bất lợi, như:

- Lượng các hợp chất metylsunfua dễ bay hơi tăng;

- Tăng khả năng ăn mòn thiết bị của dịch nấu;

- Bột thu được có màu sẫm hơn

Một trong những giải pháp công nghệ khắc phục vấn đề khí thải là ôxy hóa dịch trắng(chứa Na2S) bằng không khí hoặc ôxy có bổ sung xúc tác, khi đó Na2S bị ôxy hóa thành cácmuối polysunfua hoặc tiosunfat theo phương trình sau:

 Chất lượng nguyên liệu

Khác với nấu sunfit, nấu kiềm cho phép sử dụng tất cả các dạng nguyên liệu khác nhau.Mặc dù vậy, chủng loại nguyên liệu cũng gây ảnh hưởng không nhỏ tới quá trình nấu Khinấu kiềm, dăm mảnh nguyên liệu được thẩm thấu nhanh hơn và đều hơn Mặc dù vậy, thẩmthấu dọc theo chiều dài xơ sợi vẫn diễn ra nhanh hơn nhiều so với theo chiều ngang, vì thế

mà chiều dày của dăm mảnh là yếu tố quan trọng Khi tăng chiều dày dăm mảnh gỗ lên gấphai lần, thời gian thẩm thấu có thể kéo dài gấp bốn lần Khi cần thu bột có hiệu suất tươngđương, tăng chiều dày dặm mảnh có thể làm cho hiệu suất bột tốt sau sàng chọn giảm vàhiệu suất bột sống tăng Về tính chất cơ – lý học, với chỉ số chiều dài đứt tương đương, tăngchiều dày dăm mảnh sẽ làm giảm độ bền xé của bột Nguyên do là với dăm mảnh có độ dàylớn, lignin của lớp ngoài và lớp trong của dăm mảnh bị tách loại không đồng đều, trong khilớp ngoài bị phân hủy mạnh thì lớp trong có thể còn nguyên Sự phân hủy mạnh của lớpngoài ảnh hưởng lớn đến polysaccarit, vì vậy độ nhớt và độ bền cơ học của bột sản xuất từ

dăm mảnh có độ dày lớn thường thấp hơn Chiều dày tối ưu của dăm mảnh là 3 – 5 mm (sảnxuất ra dăm mảnh mỏng hơn không kinh tế) Nhờ có các vết nút nhỏ mà dăm mảnh trong sảnxuất thường được thẩm thấu nhanh hơn so với dăm mảnh thu được ở điều kiện phòng thínghiệm.

Đối với những loại gỗ nguyên liệu có sự khác biệt về thành phần gỗ, phần gỗ lõi và dác

gỗ dễ thấm dịch hơn, nhưng hiệu suất bột từ gỗ lõi thấp hơn 1,5 – 3,0% so với bột từ dác gỗ,

do phần gỗ lõi chứa các thành phần ngoài xenlulozơ nhiều hơn

Với những đặc điểm trên, để thu được bột chất lượng tốt, yêu cầu chung đối với dămmảnh nguyên liệu là:

- Có độ dày đồng đều (3 – 5 mm);

- Tỷ lệ dăm mảnh có chiều dài 15 - 25 mm phải >90%;

- Tỷ lệ mùn vụn và dăm mảnh nhỏ (dạng que diêm) phải ở mức thấp nhất có thể;

Ở một vài nhà máy người ta sử dụng phế thải chế biến gỗ, như mùn cưa, dăm mảnh vụn.Hiệu suất và độ bền cơ học của bột thu được thấp hơn nhiều so với từ dăm mảnh hợp cách.Nguyên nhân chủ yếu là nguyên liệu như vậy chứa một lượng lớn xơ sợi bị tổn thất về mặt

cơ học (chầy xát, cắt ngắn ) Tuy nhiên, nấu sunfat có thể cho phép sử dụng dăm mảnh có

tỷ lệ “mục” cao hơn so với nấu sunfit Ngoài ra, khi sản xuất bột hóa không quan trọng độbụi (chẳng hạn bột kraft cho sản giấy bao bì, cactong), có thể sử dụng gỗ chưa bóc vỏ Trongtrường hợp này, mức dùng kiềm phải cao hơn, khoảng 0,4% Na2O trên 1% vỏ Bột sản xuất

ra có độ bụi cao hơn và độ bền cơ học thấp hơn

Ngoài quy cách chất lượng nguyên liệu dăm mảnh ra, dạng nguyên liệu cũng có ảnhhưởng nhất định đến quá trình nấu Lignin của gỗ cứng dễ bị tách loại hơn so với gỗ mềm.Nấu gỗ mềm thường được tiến hành với mức dùng kiềm và nhiệt độ thấp hơn Mặc dù vậy,các chỉ số độ bền cơ học của bột sunfat gỗ cứng có thể đạt tương đương bột gỗ mềm, ngoạitrừ độ bền đứt Thông thường, bột sunfat gỗ cứng có độ bền đứt thấp hơn 20 – 30% so vớibột gỗ mềm Bên cạnh đó, hiệu suất bột sunfat gỗ cứng thông thường cao hơn so với gỗmềm, nếu sử dụng dăm mảnh có quy cách chất lượng tương đương nhau Sự khác biệt vềhiệu suất bột liên quan đến hàm lượng lignin và hemixenlulozơ của hai dạng nguyên liệukhác nhau

Về công dụng, bột sunfat gỗ cứng chủ yếu được sử dụng dưới dạng bột tẩy trắng, cho sảnxuất giấy in, viết.

Sự có mặt của tiosunfat natri trong dịch nấu làm cho bột được nấu chín tốt hơn Bên cạnh

đó, các hợp chất khác như polysunfua natri, antraquinon cũng có ảnh hưởng rất tốt tới quátrình nấu

1.2.2.4 Các công đoạn cơ bản của quá trình nấu bột giấy

Sơ đồ các công đoạn cơ bản của quá trình nấu bột giấy:

Chuẩn bịnguyên liệu

Nấu bột giấy

Rửa bột

Sàng lọc vàlàm sạch bột

Hình 1.4 Các công đoạn của quá trình nấu bột giấy

Chuẩn bị nguyên liệu

Mục đích của công đoạn chuẩn bị nguyên liệu là biến nguyên liệu ban đầu dưới dạng thân

cây hay cành nhánh, thành dạng phù hợp cho quá trình tạo bột giấy (nấu hoặc nghiền) Tùythuộc vào dạng bột (bột cơ hay bột hóa), phương pháp sản xuất (nấu hay nghiền) mà lựachọn sơ đồ dây chuyền công nghệ và phương pháp chuẩn bị nguyên liệu sao cho phù hợp vớicác yêu cầu công nghệ đặt ra Về cơ bản không có sự khác biệt nhiều giữa sơ đồ công nghệ

và phương pháp chuẩn bị nguyên liệu cho sản xuất bột cơ và bột hóa

Dây chuyền chuẩn bị nguyên liệu gồm các công đoạn cơ bản sau: đầu tiên gỗ được cắtkhúc theo tiêu chuẩn kỹ thuật nhất định; tiếp theo sẽ đến công đoạn rửa gỗ để loại bỏ đất cát

và các tạp chất hóa học khác, đồng thời tạo cho gỗ có độ ẩm nhất định; sau đó sẽ bóc vỏ gỗ;công đoạn tiếp theo là chặt mảnh hoặc cắt gỗ thành các đoạn có kích thước phù hợp với điềukiện sản xuất; tiếp theo là sàng chọn và kiểm soát chất lượng dăm mảnh đây là điều kiệnquyết định cho quá trình tạo bột có chất lượng đồng đều; công đoạn cuối cùng là rửa mảnh

và làm đều ẩm

Nấu bột giấy

Nấu bột giấy là quá trình xử lý nguyên liệu có quy cách chất lượng nhất định, trong thiết

bị chuyên dụng (nồi nấu), bằng dung dịch hóa chất ở nhiệt độ và áp suất cao, để thu đượchuyền phù bột xơ sợi, sau đó được xử lý thành bột có chất lượng nhất định, sử dụng cho sảnxuất giấy Một số khái niệm cơ bản trong nấu bột giấy:

Mức tách loại lignin phản ánh lượng lignin bị phân hủy, hòa tan và tách ra khỏi nguyên

liệu khi nấu, hay từ bột giấy chưa tẩy trắng khi tẩy trắng Đại lượng này có thể biểu thị bằng

tỷ lệ giữa lượng lignin bị tách loại so với lượng lignin ban đầu, thường có đơn vị đo là %

Dịch nấu là dung dịch các hóa chất sử dụng cho nấu bột giấy

Dịch trắng là dịch nấu mới được pha chế, chuẩn bị cấp cho nấu bột.

Dịch đen là phần chất lỏng thu được sau khi nấu bột Thành phần chủ yếu của nó bao gồm

các hóa chất dư của dịch nấu ban đầu, các sản phẩm hòa tan và phân hủy nguyên liệu, đồngthời một lượng nhỏ các xơ sợi nhỏ chưa được loại bỏ

Tỷ dịch hay môđun nấu là tỷ lệ giữa thể tích dịch nấu (tính bằng m3) và khối lượng củanguyên liệu mang nấu (khô tuyệt đối tính bằng tấn)

Hiệu suất bột (%) là tỷ lệ giữa khối lượng bột giấy thu được so với nguyên liệu ban đầu

Quá trình nấu bột giấy (bột hóa, bột bán hóa, bột hiệu suất cao) bao gồm các công đoạnchính, là cấp nguyên liệu và dịch nấu, tăng ôn (gia nhiệt tới nhiệt độ nhất định), bảo ôn (duytrì ở nhiệt độ nhất định trong một khoảng thời gian nhất định) và dỡ bột Các phương phápnấu bột giấy gồm phương pháp nấu sunfit, phương pháp nấu kiềm gồm có nấu xút và nấusunfat Phương pháp nấu sunfat gồm hai loại là nấu sunfat gián đoạn và nấu sunfat liên tục

Rửa bột

Rửa bột là một quá trình công nghệ phức tạp Tính phức tạp và nhiều cấp của công đoạnrửa bột có liên quan mật thiết với tính chất của xơ sợi thực vật Trong huyền phù bột, dịchđen phân bố không đồng đều trong xơ sợi Phần khó tách bỏ nhất là dịch đen nằm sâu trongvách tế bào của xơ sợi, vốn có cấu trúc thớ lớp Trong phần dung dịch này có tới 5 – 10% cácchất tan so với toàn bộ các hợp chất tan trong huyền phù bột sau nấu Các chất này chỉ có thểtách ra khỏi xơ sợi bằng cách khuếch tán dần vào nước rửa, điều đó làm cho quá trình rửakéo dài và phức tạp hơn Để thực hiện được điều này cần phải tạo điều kiện cần thiết để nướcrửa thấm sâu vào xơ sợi, rồi lại khuếch tán ra bên ngoài, mang theo các chất tan khuếch tánvào nước rửa và được tách ra khỏi xơ sợi Vì vậy, nhiệm vụ của rửa bột là tách triệt để ở mức

có thể, toàn bộ dịch đen ra khỏi xơ sợi dưới dạng dung dịch có nồng độ chất khô cao, với tổnthất thấp nhất Để tách dịch đen ra khỏi bột, các phương pháp rửa bột hiện nay đều sử dụngđồng thời các quá trình cơ học, như ép, vắt, lọc Thao tác chính là rửa bột bằng nước, trong

đó một phần dịch đen được tách ra khỏi bột bằng cách chiết thế chỗ không pha loãng, cònmột phần tất yếu phải pha trộn với nước nhờ khuếch tán lẫn nhau Có thể phân biệt cácphương thức rửa bột bao gồm: Rửa theo phương pháp chiết thế chỗ dịch và rửa theo phươngpháp pha trộn kết hợp ép vắt hay lọc dịch đen Hiện nay có nhiều loại thiết bị rửa bột, trong

đó thiết bị sử dụng phổ biến đó là máy rửa chân không thùng quay và máy rửa kiểu ép

Hình 1.5 Máy rửa kiểu chân không thùng quay

Hình 1.6 Máy rửa kiểu ép TwinRoll TM

Máy rửa dạng ép vít công suất được hình thành từ trục vít hình côn dài 3,35 m và được kính 450 mm quay với tốc độ 50 – 55 vòng/phút trong ống thép hình trụ có đục

lỗ đường kính 2,15 mm Nồng độ bột vào ép vít là 10 – 12%, ra khỏi ép vít công suất

là 38 – 40%.Trục vít quay từ động cơ đồng bộ công suất 90kW.

Sơ đồ rửa trong vít ép theo nguyên tắc ngược dòng giống như máy rửa thùng quay :

- Bột giấy được pha loãng dưới đáy bể phóng đến nồng độ 3,5% rồi bơm lên thiết bị cô đặc đến nồng độ 10% rồi đi vào phếu tiếp liệu của vít đầu tiên.

- Tuần tự qua các vít ép, bột được ép lên đến nồng độ 38 – 40%

- Trước vít ép cuối cùng bột được rửa bằng nước nóng

Qua máy ép vít bột bị ép và chà mạnh, có thể ảnh hưởng tới tính chất cơ học của bột và làm xoắn xơ sợi.

Làm sạch bột có thể xem là trường hợp phân tách bột theo tỷ trọng các phần tử, được tiến hành trong các thiết bị lọc cát có dạng ống day hình côn Huyền phù bột được cấp vào phần miệng theo phương tiếp tuyến với thành ống Đặc biệt này làm cho dòng bột chuyển động theo đường trục tâm của ống, nhờ trọng lực mà các phần tử có

tỷ trọng cao hơn bị giữ chặt lại phía dưới ống và được tháo bỏ Làm sạch bột nhằm loại bỏ các tạp chất bẩn, như tạp chất cơ học, vỏ cây, đất, cát và các tạp chất không có nguồn gốc thực vật khác.

Hình 1.7 Thiết bị làm sạch sàng áp lực

Nguyên lý hoạt động của sàng:

Bột có lẫn mấu mắt, dăm mảnh chưa chin được đưa vào ở cửa số 2, vào khoảng giữa thânvới lưới sàng Roto 7 quay với tốc độ cao tạo ra áp suất chân không phía bên trong lưới sàng,hình thành chênh lệch áp suất giữa hai bên lưới sàng Do sự chênh lệch áp suất, bột có kíchthước nhỏ sẽ chui qua lưới sàng và ra ở cửa, mấu mắt, dăm mảnh chưa chín không qua đượclưới sàng nên bị tách ra ở cửa 4

Nước được đưa vào cửa 5 để pha loãng mấu mắt, mảnh chưa chin Trong quá trình hoạtđộng các cánh gạt 8 gắn trên roto sẽ giúp bột không bị mắc ở các lỗ sàng Tách bột theo kíchthước các phần tử là quá trình chính trong công đoạn sàng chọn bột, được thực hiện bằng cácloại sàng có mặt sàng lỗ tròn Kích thước lỗ được chọn sao cho bột tốt có thể thoát qua lỗ,còn phần bột xấu bị giữ lại Đối với công đoạn sàng tinh có thể chọn sàng lỗ đường kính lỗ0,8 – 3 mm

Tách bột theo hình dạng các phần tử có những điểm tương đồng với tách theo kích thước.Sàng được sử dụng là sàng có mặt sàng khe rộng 0,2 – 3mm (sàng tinh chiều rộng < 0,8mm) Trong các loại sàng này, các xơ sợi dài và mỏng dễ dàng thoát qua các khe, nhưngthậm chí những xơ sợi nhỏ hình dạng oval lại có thể không thoát qua được

Hình 1.8 Sơ đồ làm sạch bột sử dụng lọc cát ba cấp

1.2.2.5 Kỹ thuật nấu sunfat liên tục

Hiện nay, bột giấy sunfat chủ yếu được sản xuất theo phương pháp nấu liên tục là phươngpháp nấu có hiệu quả kinh tế cao và nhiều ưu điểm vượt trội so với nấu gián đoạn Sản lượngbột sunfat sản xuất theo phương pháp nấu liên tục chiếm trên 2/3 tổng sản lượng bột giấytrên thế giới, với hàng trăm thiết bị nấu liên tục đang hoạt động ở các nước khác nhau Ởnước ta, nấu liên tục với công nghệ tiên tiến nhất đang được áp dụng tại Công ty Cổ phầnGiấy An Hòa, Tuyên Quang

Đối với nấu liên tục, mọi thao tác được diễn ra liên tục và đều đặn, không có sự ngắtquãng, vì vậy năng suất tính trên 1 m3 nồi nấu cao hơn và chất lượng bột tương đối đồng đều,tiết kiệm được hơi, nước và vật tư hóa chất, ít ảnh hưởng đến môi trường Việc dừng mộtthao tác nào đó, cũng đồng nghĩa với dừng hoạt động bình thường của cả dây chuyền sảnxuất và ảnh hưởng lớn tới toàn bộ quá trình sản xuất của nhà máy Vì vậy, để đạt được chấtlượng của bột cao và ổn định, nấu liên tục có yêu cầu cao về vận hành và nguyên vật liệu đầuvào

Nấu liên tục được thực hiện trong các thiết bị nấu liên tục, là các hệ thống thiết bị đồ sộ vàphức tạp Phổ biến nhất hiện nay là các thiết bị Kamyr của hãng Kvaerner Puling Số lượngnồi nấu liên tục Kamyr trên thế giới đã đạt trên dưới 500 bộ, năng suất của một thiết bị có thểđạt hàng trăm tấn ngày Tại Nhật Bản, hơn 70% tổng sản lượng bột hóa được sản xuất bằngcác thiết bị nấu Kamyr năng suất khác nhau Các nước khác trong khu vực như Indonesia,Thái Lan đã áp dụng công nghệ này từ lâu Nồi nấu có năng suất cao nhất hiện này thuộc bản

quyền của hãng Metso, đạt 4500 tấn/ngày, có đường kính phần đáy nồi 12,5m, chiều cao72m Nồi nấu liên tục của Công ty Cổ phần Giấy An Hòa hiện nay có năng suất 450tấn/ngày, áp dụng công nghệ Compact CookingTM thế hệ 2, có đường kính 4m, chiều caotrên 30m.

Những ưu điểm vượt trội của nấu liên tục so với nấu gián đoạn, kể cả nấu gián đoạn cảitiến là: Năng suất và hiệu suất bột trên 1m3 nồi cao hơn; giảm diện tích mặt bằng nhà xưởngsản xuất; giảm diện tích kho bãi nguyên liệu, kích thước các thiết bị công nghệ, như bể chứadịch nấu và bể bột; giảm được tiêu hao hơi, nước cho nấu; Rửa bột ngay trong nồi nấu, nồng

độ dịch đen thu hồi được nâng cao; cho phép dễ dàng thu gom khí có mùi cho xử lý, nhờ đó

mà ít ảnh hưởng tới môi trường hơn

1.2.2.6 Hệ thống thiết bị nấu sunfat liên tục

Thiết bị chính đầu tiên của hệ thống thiết bị nấu liên tục là bunke dăm mảnh, có dạng mộtthiết bị kín, trong đó dăm mảnh có kích thước phù hợp được xông hơi, nhằm tách bỏ khôngkhí và các chất dễ bay hơi, đồng thời gia nhiệt dăm mảnh Từ bunke, dăm mảnh di chuyểnqua hai cơ cấu roto nâng cấp và khống chế một lượng nguyên liệu nhất định và tiếp liệu ápsuất thấp, nó có cấu tạo là một roto quay với các khoang chứa đều nhau Khi dăm mảnh được

xả đầy từ bunke vào các khoang này và roto quay 1 góc 180 độ, dăm mảnh được xả từkhoang vào tiếp liệu, đồng thời dăm mảnh được xả từ bunke vào khoang đối diện Lượngnguyên liệu được cấp đều đặn vào nồi nấu được xác định bởi sức chứa của các khoang chứanày và tần số quay của roto Tiếp liệu áp suất thấp có chức năng cấp nguyên liệu vào buồngxông hơi, nó đồng thời đóng vai trò là 1 van giữ cho áp suất trong buồng xông hơi luôn ởmức cao hơn (0,1 – 0,25 MPa) Tại buồng xông hơi, dăm mảnh được xử lý trong 3 – 5 phútbằng hơi nước thu được từ quá trình bốc hơi của dịch nấu Sự di chuyển của dăm mảnh trongbuồng xông hơi được thực hiện bởi một vít tải Lượng hơi dư cùng với không khí và các chất

dễ bay hơi thoát ra từ dăm mảnh, được đưa ra khỏi buồng xông hơi qua một trao đổi nhiệtdạng ruột gà và vào bộ ngưng tụ Như vậy, trong công đoạn này, dăm mảnh nguyên liệuđược xông hơi hai lần, cho phép tách loại hầu như hoàn toàn không khí, các chất dễ bay hơi

và nâng cao nhiệt độ của dăm mảnh

Sau khi xông hơi, dăm mảnh được rửa bằng dịch nấu tuần hoàn, tách chúng ra khỏi cáctạp chất, rồi sau đó được đưa sang buồng tiếp liệu, tại đó dăm mảnh nguyên liệu lại tiếp xúc

với dịch đen tuần hoàn Từ phần dưới của buồng tiếp liệu, dăm mảnh được cấp vào tiếp liệu

áp suất cao, có chức năng là một van chặn giữa nồi nấu, hoạt động ở áp suất 1,0 – 1,5 Mpa

và buồng xông hơi, nơi có áp suất thấp hơn (0,1 – 0,25 MPa) Với nguyên lý hoạt độnggiống như tiếp liệu áp suất thấp, tiếp liệu áp suất cao có dạng giống như một cái van quayliên tục, với các khoang có đáy là lưới thép Khi miệng khoang ở vị trí hướng lên phía trên,

nó sẽ hứng dăm mảnh và dịch nấu từ buồng tiếp liệu, lượng dịch dư sẽ thoát qua lưới đáy vàđược bơm tuần hoàn đưa trở lại buồng tiếp liệu Sau khi quay một góc 90 độ, khoang chứadăm mảnh sẽ ở vị trí nằm ngang và dăm mảnh sẽ được dịch nấu từ đáy khoang đẩy theođường ống vào nồi nấu Dăm mảnh được cấp vào nồi với tỷ dịch khoảng 20:1 Phần lớn dịch

để vận chuyển dăm mảnh được cấp từ bộ phận phân ly lắp đặt phía trên của nồi nấu (hoặcthiết bị tẩm mảnh) Dịch nấu mới được cấp vào phía trên nồi nấu theo một đường cấp riêng

Hình 1.9 Hệ thống cấp mảnh của thiết bị nấu liên tục Kamyr

Hình 1.10 Bộ điều tiết mảnh

Hình 1.11 Tiếp liệu áp suất thấp

Hình 1.12 Buồng xông hơi

Hình 1.13 Tiếp liệu áp suất cao

Nồi nấu liên tục là một tháp hình trụ thẳng đứng Trên đỉnh nồi lắp đặt một bộ phân ly, cóchức năng lấy dịch nấu từ nồi ra và cấp cho tiếp liệu áp suất cao để di chuyển dăm mảnh vào

nồi Ngoài ra, nó còn có chức năng điều tiết tỷ dịch nấu cho trước, trong khoảng (2,8 –3,2):1 Các bộ phân ly này có kết cấu khác nhau: dạng thẳng đứng, uốn cong hay nghiêng.Khác với nồi nấu gián đoạn, trong quá trình vận hành, khi dăm mảnh đã ngập trong dịch nấu,một phần khoang phía trên cùng (đỉnh) của nồi nấu có thể chứa đầy chất lỏng hoặc chỉ có hơikhí Đối với hệ thống nấu hai nồi, đường cấp dăm mảnh vào nồi thứ nhất (có chức năng làthiết bị tẩm mảnh) và nồi nấu có sự khác biệt nhất định, vì vậy mà dịch nấu tuần hoàn đượcchiết ra từ bộ phân ly cũng khác nhau.

Hình 1.14 Hệ thống nấu liên tục với thiết bị tẩm mảnh và nồi nấu

Trong các hệ thống nấu liên tục một nồi, sau khi qua thiết bị phân ly, dăm mảnh và dịchnấu di chuyển từ trên xuống dưới nhờ trọng lực, sang khoang tẩm mảnh Tuần hoàn dịch nấuđược tiến hành tương tự nấu gián đoạn: dịch nấu được chiết ra khỏi nồi qua lưới rút dịch, gia

nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt và được đưa trở lại nồi nấu theo đường ống cấp dịch ở giữa nồi,vào vị trí tương ứng của nồi nấu Cứ như vậy, dòng chuyển động theo hướng ly tâm của dịchnấu, đảm bảo cân bằng nhiệt độ và nồng độ kiềm theo toàn bộ thiết diện của nồi.

Hình 1.15 Sơ đồ chiết và tuần hoàn dịch nấu

Tiếp tục di chuyển xuống phía dưới, dăm mảnh rơi vào khoang bảo ôn của nồi nấu Tại

đó chúng được gia nhiệt tới nhiệt độ tối đa ( bằng hệ thống tuần hoàn dịch và trao đổi nhiệt), phần lớn lignin bị hòa tan, dịch nấu có màu nâu sẫm và nồng độ chất khô cao Ở vị trí cuốicủa khoang bảo ôn, dăm mảnh trở nên mềm mại, nhưng gần như vẫn giữ được hình dạng banđầu

Khoang dưới cùng của nồi nấu là khoang rửa bột khuếch tán Dịch đen loãng có nhiệt độ

70 – 80 oC từ phân xưởng rửa bột được cấp vào phía dưới nồi nấu nhờ hệ thống bơm cao áp

Di chuyển từ dưới lên trên ngược với chiều di chuyển của dăm mảnh đã được nấu chín, dịchđen loãng chiết dịch đen đặc ra khỏi bột, sau đó hỗn hợp dịch đen này được gia nhiệt tớikhoảng 130 oC và lại được tuần hoàn trở lại khoang rửa của nồi nấu Dịch đen đặc được chiết

từ khoang giữa của nồi nấu, giảm áp tới áp suất thường qua hai hoặc ba cấp bộ dãn và đượcđưa đi thu hồi hóa chất, còn hơi bốc thu được sử dụng cho xông hơi dăm mảnh ở buồng xônghơi Sau khi rửa tại khoang rửa, huyền phù bột có nhiệt độ 80 – 90 oC và nồng độ bột 10 -12%, được cơ cấu cào ở đáy nồi đưa vào đường ống phóng sang bể bột hoặc máy rửa

Hình 1.16 Rửa, chiết dịch đen và dỡ bột

Quá trình rửa khuếch tán nóng ở nhiệt độ 130 oC tương đương với rửa bột bằng các máyrửa chân không thùng quay ba cấp Đồng thời, tái sử dụng hơi từ dịch đen cho xông hơi dămmảnh giúp tiết kiệm được hơi cho quá trình sản xuất Chất lượng bột thu được theo phươngpháp nấu liên tục trong các thiết bị nấu Kamyr tương đương bột nấu theo phương pháp nấugián đoạn