Nghiên cứu, xây dựng quy trình công nghệ tối ưu nấu bột giấy Kraft từ nguyên liệu gỗ cứng để giảm thiểu hàm lượng axit hexenuronic trong bột

 1. Mục tiêu chung

Nghiên cứu, xây dựng quy trình công nghệ tối ưu nấu bột giấy Kraft từ nguyên liệu gỗ cứng để giảm thiểu hàm lượng axit hexenuronic trong bột sau nấu nhằm nâng cao chất lượng bột giấy, tăng hiệu quả kinh tế và giảm tác động môi trường.

2. Mục tiêu cụ thể

+  Xây dựng quy trình nấu bột giấy tối ưu theo phương pháp Kraft cho các loại gỗ cứng với các điều kiện nấu phù hợp.

+  Xây dựng được phần mềm tìm chế độ nấu tối ưu cho bột giấy Kraft đối với nguyên liệu gỗ cứng.

+  So sánh, đối chứng với chế độ nấu bột giấy thực tế tại doanh nghiệp.

 1. Khảo sát, đánh giá thực trạng, khả năng đổi mới công nghệ nấu bột giấy tại Tổng công ty Giấy Việt Nam

Công nghệ nấu bột đang thực hiện tại Tổng công ty giấy Việt Nam là công nghệ của những năm 70 đến nay đã lạc hậu, tiêu tốn năng lượng cao, chất lượng bột không đồng đều, hàm lượng HexA trong bột khá cao. Quá trình rửa bột nâu hiện tại được thực hiện trên các máy rửa chân không thùng quay, công nghệ rửa này đã lạc hậu, bột rửa không sạch, nồng độ dịch đen loãng thấp. Bộ phận sàng bột và tách lignin bằng ôxy sử dụng hệ thống sàng áp lực 3 cấp, hệ thống làm sạch 4 giai đoạn và 1 giai đoạn tách loại lignin bằng ôxy. Bộ phận tẩy trắng bột giấy sử dụng công nghệ tẩy trắng bột hóa truyền thống, dùng clo nguyên tố làm tác nhân chính, công nghệ này cho độ bền xơ sợi không cao vì clo nguyên tố có tính chọn lọc kém, nó phá hủy xơ sợi và đặc biệt gây ô nhiễm môi trường vì hợp chất hữu cơ của clo (AOX) trong nước thải chứa các hóa chất gây độc hại cho môi trường.

Với những tồn tại và khó khăn về công nghệ và thiết bị sản xuất như trên dẫn đến chất lượng sản phẩm giấy không ổn định, độ hồi màu của giấy cao, độ bụi của giấy lớn và công nghệ sản xuất sử dụng nhiều hóa chất trong quá trình sản xuất, ảnh hưởng nhiều đến môi trường sinh thái.

Kết quả khảo sát đánh giá thực trạng về công nghệ và thiết bị sản xuất bột giấy tại Tổng công ty giấy Việt Nam cho thấy cần đầu tư nghiên cứu đổi mới quy trình nấu bột giấy, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế sản xuất cho doanh ngiệp. Những năm gần đây các nghiên cứu cải tiến công nghệ nấu bột kraft gián đoạn đã được nghiên cứu áp dụng và khẳng định tính khả thi. Vấn đề còn lại là nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ và gắn vào thực tế sản xuất tại doanh nghiệp là hướng đi có tính cấp thiết.

2.  Tổng quan về sự biến đổi và ảnh hưởng của axit hexenuronic trong quá trình nấu bột giấy, các giải pháp công nghệ xử lý axit hexenuronic có trong bột giấy

Công nghệ sản xuất bột giấy kraft đòi hỏi phải nấu mảnh gỗ hay một số loại nguyên liệu trong dung dịch NaOH và Na2S ở nhiệt độ cao. Quá trình nấu bột kraft và chất lượng bột chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố công nghệ khác nhau. Các phản ứng hoá học xẩy ra trong khi nấu bột kraft rất phức tạp. Trong quá trình nấu bột Kraft phần tử 4-O-methyl-glucuronic trong mạch xylan sẽ bị biến đổi thành axit hexenuronic (HexA). Nhiệt độ phản ứng, thời gian nấu và mức dùng kiềm là các tham số quan trọng có ảnh hưởng đến sự hình thành và biến đổi của HexA trong quá trình nấu bột kraft. Hàm lượng HexA trong bột giấy là yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất bột giấy kraft, ảnh hưởng đến các quá trình gia công tiếp theo cũng như đến chất lượng của sản phẩm giấy. HexA có phản ứng với các hóa chất tẩy trắng, do đó sẽ làm tiêu hao đáng kể một lượng hóa chất tẩy trắng và làm tăng các sản phẩm hòa tan trong dịch sau tẩy.

công nghệ của những năm 70 đến nay đã lạc hậu, tiêu tốn năng lượng cao, chất lượng bột không đồng đều, hàm lượng HexA trong bột khá cao. Quá trình rửa bột nâu hiện tại được thực hiện trên các máy rửa chân không thùng quay, công nghệ rửa này đã lạc hậu, bột rửa không sạch, nồng độ dịch đen loãng thấp. Bộ phận sàng bột và tách lignin bằng ôxy sử dụng hệ thống sàng áp lực 3 cấp, hệ thống làm sạch 4 giai đoạn và 1 giai đoạn tách loại lignin bằng ôxy. Bộ phận tẩy trắng bột giấy sử dụng công nghệ tẩy trắng bột hóa truyền thống, dùng clo nguyên tố làm tác nhân chính, công nghệ này cho độ bền xơ sợi không cao vì clo nguyên tố có tính chọn lọc kém, nó phá hủy xơ sợi và đặc biệt gây ô nhiễm môi trường vì hợp chất hữu cơ của clo (AOX) trong nước thải chứa các hóa chất gây độc hại cho môi trường.

Với những tồn tại và khó khăn về công nghệ và thiết bị sản xuất như trên dẫn đến chất lượng sản phẩm giấy không ổn định, độ hồi màu của giấy cao, độ bụi của giấy lớn và công nghệ sản xuất sử dụng nhiều hóa chất trong quá trình sản xuất, ảnh hưởng nhiều đến môi trường sinh thái.

Kết quả khảo sát đánh giá thực trạng về công nghệ và thiết bị sản xuất bột giấy tại Tổng công ty giấy Việt Nam cho thấy cần đầu tư nghiên cứu đổi mới quy trình nấu bột giấy, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế sản xuất cho doanh ngiệp. Những năm gần đây các nghiên cứu cải tiến công nghệ nấu bột kraft gián đoạn đã được nghiên cứu áp dụng và khẳng định tính khả thi. Vấn đề còn lại là nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ và gắn vào thực tế sản xuất tại doanh nghiệp là hướng đi có tính cấp thiết.

2.  Tổng quan về sự biến đổi và ảnh hưởng của axit hexenuronic trong quá trình nấu bột giấy, các giải pháp công nghệ xử lý axit hexenuronic có trong bột giấy

Công nghệ sản xuất bột giấy kraft đòi hỏi phải nấu mảnh gỗ hay một số loại nguyên liệu trong dung dịch NaOH và Na2S ở nhiệt độ cao. Quá trình nấu bột kraft và chất lượng bột chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố công nghệ khác nhau. Các phản ứng hoá học xẩy ra trong khi nấu bột kraft rất phức tạp. Trong quá trình nấu bột Kraft phần tử 4-O-methyl-glucuronic trong mạch xylan sẽ bị biến đổi thành axit hexenuronic (HexA). Nhiệt độ phản ứng, thời gian nấu và mức dùng kiềm là các tham số quan trọng có ảnh hưởng đến sự hình thành và biến đổi của HexA trong quá trình nấu bột kraft. Hàm lượng HexA trong bột giấy là yếu tố quan trọng trong quá trình sản xuất bột giấy kraft, ảnh hưởng đến các quá trình gia công tiếp theo cũng như đến chất lượng của sản phẩm giấy. HexA có phản ứng với các hóa chất tẩy trắng, do đó sẽ làm tiêu hao đáng kể một lượng hóa chất tẩy trắng và làm tăng các sản phẩm hòa tan trong dịch sau tẩy.

Đề tài đã tập trung nghiên cứu xây dựng quy trình nấu bột kraft tối ưu để có thể giảm thiểu lượng HexA trong bột sau nấu nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất bột giấy tại Tổng công ty giấy Việt Nam.

3.  Nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm quá trình nấu bột giấy Kraft từ gỗ cứng (gỗ keo lai và gỗ hỗn hợp)

Đề tài đã tối ưu hóa quá trình nấu bột giấy kraft đối với nguyên liệu gỗ cứng thực hiện tại Tổng công ty giấy Việt Nam. Chế độ nấu bột giấy Kraft phù hợp với điều kiện công nghệ đối với nguyên liệu hỗn hợp (80% nguyên liệu keo lai; 20% nguyên liệu bạch đàn) là:

+  Mức dùng kiềm: 22,2% ± 0,3%

+  Thời gian nấu: 112 phút

+  Nhiệt độ nấu: 1680C ± 10C

4. Xác định hàm lượng HexA và phân tích các tính chất khác của các mẫu bột giấy sau nấu

Qua nghiên cứu, có thể thấy nếu mức dùng kiềm càng cao, thời gian nấu càng dài và nhiệt độ nấu càng cao thì hiệu suất nấu sẽ càng thấp và ngược lại. Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết nấu bột giấy theo phương pháp Kraft, có nghĩa là khi mức dùng kiềm thấp, thời gian nấu ngắn và nhiệt độ nấu thấp thì quá trình nấu sẽ cho hiệu suất bột cao. Để đảm bảo về hiệu quả kinh tế trong quá trình nấu bột, hiệu suất bột phải đảm bảo lớn hơn 50%. Nếu bột nấu có trị số Kappa thấp quá thì có nghĩa là quá trình nấu sử dụng mức dùng kiềm cao, nhiệt độ nấu cao và thời gian nấu kéo dài. Điều này sẽ làm giảm hiệu suất nấu và độ nhớt của bột. Do đó người ta thường khống chế trị số Kappa của bột cho quá trình sản xuất bột giấy Kraft trong phạm vi từ 16 đến 21. Với bột giấy Kraft dùng cho quá trình sản xuất giấy in, giấy viết, giấy photocopy thường khống chế độ nhớt của bột tối thiểu là 800 ml/g. Trong các nhà máy sản xuất bột giấy Kraft có hệ thống thu hồi, mức tàn kiềm hợp lý thường từ 5-10 g/l.

5. Xử lý số liệu, xây dựng phần mềm tìm chế độ nấu tối ưu

Đề tài đã xây dựng được phần mềm tìm chế độ nấu tối ưu. Phần mềm được lập trình trên công cụ Visual Basic 6.0 và được tạo ra File chương trình độc lập dưới dạng tệp khả thi có tên là NAUBOT.EXE. Nhờ đó người sử dụng có thể thực hiện chương trình đó trong môi trường Windows mà không cần có Visual Basic 6.0 trong hệ thống. File chương trình NAUBOT.EXE có kích thước 64 KB, có thể chạy trên hệ thống máy tính với yêu cầu tối thiểu như sau: Microsoft Windows 98 trở lên hoặc là Microsoft Windows NT Workstation 4.0 trở lên; Tốc độ CPU 66 MHz trở lên; Màn hình VGA hoặc màn hình có độ phân giải cao được hỗ trợ bởi Microsoft Windows; 16 MB RAM cho Microsoft Windows 98 hoặc 32MB RAM cho Microsoft Windows NT Workstation.

Phần mềm tìm chế độ nấu tối ưu tìm chế độ nấu tối ưu cho bột giấy Kraft được lập trình trong Microsoft Visual Basic 6.0 trực quan, dễ sử dụng, có thể tìm được chế độ nấu tối ưu khi người sử dụng nhập vào yêu cầu về hàm lượng HexA sau nấu, đồng thời có thể tính toán được các kết quả nấu của bột giấy khi biết các thông số đầu vào gồm nhiệt độ nấu, thời gian nấu và mức dùng kiềm.