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第3章 黑液提取
植物纤维原料经过化学蒸煮后，得到50～85%的纸浆，有近15～50%左右的物质溶解于蒸煮液中，蒸煮排出的蒸煮液，统称废液。对碱法制浆而言，这种废液又称为黑液。黑液提取是通过挤压、过滤、扩散等方式将纸浆与黑液进行分离，以获得高提取率、高浓度、高质量的黑液为目的。黑液提取是碱回收的第一步，对于提高碱回收率具有重要意义。
3.1 黑液提取的原理
3.1.1 概述
黑液提取属于固液分离的范畴，但比一般固液分离在操作和流程上要复杂很多。由于蒸煮过程中药液对纤维细胞的渗透和反应，纤维细胞壁、细胞腔和细胞壁外均存有黑液，这些黑液的表面张力不同，从纸浆中分离出来的难易程度不一样因此纸浆的洗涤和黑液的提取一般要综合采用多种方式。纤维细胞壁外的黑液一般通过过滤、挤压作用提取。而纤维细胞腔和细胞壁中的黑液则主要通过扩散作用使其从细胞壁腔内扩散到细胞壁外，然后再通过挤压或过滤等方式提取。常用的提取设备有：真空洗浆机，长网洗浆机、单螺旋挤浆机、双辊挤浆机等。对于某一种洗涤设备而言，往往是以一种作用过程为主，其它作用为辅。提取黑液是通过浆料的洗涤来实现，以逆流洗涤为主。
3.1.2 黑液在浆料中的分布情况
在蒸煮后的浆料中，黑液在纸浆中的分布大致如下：1、游离存在于纤维与纤维之间的流动空间，这部分黑液约占75～80%；2、存在于纤维细胞腔内部的黑液，约15～20%；3、存在于细胞壁内部的毛细管中，约5%。这些黑液中，以游离黑液最易分离，纤维细胞壁腔内的黑液较难分离。因此要获得高的提取率，就必须将纤维细胞壁和细胞腔内的黑液提取出来。
3.1.3 黑液的提取方式和原理
⑴ 提取过程的过滤作用
黑液提取是在浆料的洗涤过程中实现的。浆料洗涤时，首先用水将浆料稀释到一定浓度，使其充分混合，再靠洗涤液的静压力（如洗料池的液位，真空洗浆机的抽吸力）过滤脱水来达到洗涤目的，同时获得黑液。影响黑液过滤效果的主要因素有：
①压差：提高滤层压差，可以提高过滤速度。但由于浆层为可压缩体，压差太高会使过滤阻力增大，生产并不经济，应根据生产情况确定适合的压差。
②温度：提高浆料温度，滤液粘度减少，从而降低过滤阻力，提高过滤速度。多段逆流洗浆最后一段加热水用以提高洗涤温度，能使黑液的扩散和过滤速度得到较大提高。
③浆层厚度：浆层厚度与过滤阻力有直接关系，因为浆层过厚，滤液所通过的毛细管长度增加，同时，其底层压强大，纤维间的孔道被压缩，使过滤阻力增加，不利于过滤速度提高。
④浆种：纸浆的品种与均匀性对过滤也有影响。一般碱法草浆纤维短小，滤水性能差，木浆的滤水性能要好很多，因此草浆洗涤时要求的过滤面积要大些。
⑵ 提取过程的扩散作用
存在于纤维内部的黑液用挤压的方法进行分离效果很差，但可以用稀释扩散的方法，使纤维内外溶液产生浓度差，将纤维内黑液扩散出来，然后压滤浓缩进行分离。该种提取方式，溶解物的扩散速度是关键，其速度公式如下：
G = DF （kg/h）
C1 - C2
X

式中： G —— 扩散速度 （kg/h）
F —— 扩散面积 （m2 ）
D —— 扩散系数 （m2/h）
C1—— 纤维内废液的浓度（kg/m3 ）
C2—— 纤维外废液的浓度（kg/m3 ）
X —— 扩散物质（废液中的溶解物）所经路程 （m）
由上式可以看出：纤维内外废液浓度差是扩散的推动力，对扩散速度影响较大。生产中采用清水作洗涤液，有利于增加浓度差，洗涤速度快。扩散速度与扩散面积成正比，生产中一般通过搅拌来提高扩散面积。扩散系数与废液温度与粘度密切相关，提高温度和降低粘度均可使扩散系数增加。
⑶ 提取过程中的挤压作用
利用机械的方法加大压力，可将纤维之间的大部分废液挤压出来，并也能挤压出部分纤维内部的黑液，但单一的挤压方式，黑液提取效率不高。因为当增加压力把浆料压到一定干度后，由于纤维之间的废液被压缩，纤维间毛细管变小，毛细管压力增加。当外力大于毛细管压力时可以分离出废液，当外压与毛细管压力一旦平衡就压不出废液了。因此，单靠挤压方法洗涤不充分，碱流失大。挤压需要与扩散、过滤作用配合，才能获得充分洗涤和高的提取率。
⑷ 多段逆流洗涤原理
对纸浆洗涤的要求，不仅要废液提出率高，纸浆洁净度高，同时还要求稀释因子小，废液浓度高。目前的洗涤设备，单段洗涤都难于达到上述要求。若只用多段洗涤，则用水量大，稀释因子高。采用多段逆流洗涤，能在较小的稀释因子下，使各段洗涤的扩散作用得到较好发挥，取得较好效果。多段逆流洗涤过程多具有挤压、过滤、扩散多重过程。

图3—1 四段逆流连续洗涤流程示意图
3.1.4 有关黑液提取的常用术语
⑴ 洗净度
表示纸浆洗净的程度。一般有以下几种方法表示：
①洗涤后随纸浆所带走的清液中的残碱含量（Na20 g/l）表示。
②以洗后每吨风干浆所带走的残碱量（Na20 kg/t）表示。
③以洗后纸浆消耗高锰酸钾的量（KMnO4 mg/l）表示（一般用在酸法浆厂）。
⑵ 置换比
指洗涤过程中，纸浆中含溶解的固形物的实际减少量，与理论上可能的最大减少量之比。表示方法为：
置换比 =
Su－S
Su－Ss

式中： Su —— 进洗浆机网槽时废液含溶解的固形物的浓度（%）
S —— 洗后浆料所带走的废液含溶解固形物的浓度（%）
Ss —— 洗浆机喷淋水中含溶解固形物的浓度（%）
⑶ 稀释因子
指每吨风干浆洗涤用水量与洗后纸浆含水量之差。以（米3/吨风干浆）或（公斤水/公斤风干浆）表示。
稀释因子与纸浆的洗净度及送去药品回收的废液浓度有密切关系。稀释因子大，纸浆洗净度高，废液浓度则降低。
Df=洗涤用水量 — 洗后纸浆含水量
或 Df=提取黑液量 — 洗前纸浆含水量
⑷ 洗涤效率（η）
η(%) = ×100%
G
G0
指洗涤过程中提取出来可利用的废液中溶质的数量G和蒸煮后废液中所有溶质的数量G0之比，即

式中： G0、G ——分别为洗涤前后浆料中废液含固形物的重量
⑸ 提取率
提取率（%）= × 100%
本期送回收车间黑液中的碱量
本期蒸煮用碱量

3.1.5 洗涤工艺
⑴ 洗涤方法
纸浆洗涤通常采用单向洗涤和逆流洗涤。
①单向洗涤
单向洗涤是指单纯用清水或白水置换蒸煮废液，然后将废液排出。这种洗涤方法用水量大，排出废液浓度低，多不回收，直接外排，环境污染严重，但设备简单。小纸厂多数采用此方法，如洗涤池洗浆。
②多段逆流洗涤
多段逆流洗涤是目前用得最多最广泛的洗涤方法。这种洗涤方法就是多次洗涤或多提取几次废液。逆流就是洗涤水与纸浆以相反的流向进行置换。经过多段逆流洗涤，浆中的溶质逐渐减少，在这个过程中，过滤减少了浆中的液体量，而稀释或置换降低了浆中液体的浓度，这就减少了浆中的溶质含量。在混合或置换过程中，仅纤维之间的液体参与这一流动，而存在纤维内及吸附在纤维表面的液体要靠扩散进行传质或解析，因此每段洗涤设备之间，扩散越充分越有利于下一段的洗涤。在洗涤系统中除了过滤设备之外，还需配有稀释搅拌槽供浆液混合，利于溶质扩散。
⑵ 洗涤工艺流程示例
①真空洗浆机多段逆流流程

1-真空洗浆机 2-高压剥浆风机 3-黑液槽 4-黑液泵 5-真空泵
6-收集器 7-高位冷凝器 8-收集器 9水封槽 J-浆 S-清水
R-热水 H-黑液 F高压风 X-污水 Z-真空
图3-2 四段真空洗浆工艺流程
多段逆流洗涤中，真空洗浆机多用3～5台串联起来实现。在洗涤流程中，根据浆类的不同，在进洗浆机洗涤前，多般配有除节设备，如除节机、跳筛等，以起到保护洗浆机滤网作用。真空洗浆机的真空度主要是依靠真空洗浆机安装的高度来控制，通过排出的水腿管产生的。其次可用真空泵来产生真空度，但动力消耗大，不经济。
②长网压榨洗浆机工艺流程
一台长网洗浆机或长网压榨洗浆就可以实现多段逆流洗涤，如图3-3所示，最后一段多般用热水或后段加热后的白水，中间通过黑液泵进行逆流喷淋洗涤，与真空洗浆机组成的多段逆流洗涤流程比，其结构紧凑，省略中间黑液槽，另其真空度主要靠强制真空来实现，如大功率风机抽吸、真空泵等，因此，其对安装高度没有特殊要求。对于长网压榨洗浆机，前面一定要布有除节、除大杂物的设

图3-3 长网压榨洗浆机工艺流程
备，以防损坏滤网及胶辊。

1-喷放锅 2-压力洗浆机 3-高压风机 4-轴流泵 5-黑液槽
J-浆 S-清水 R-热水 H-黑液 F-高压风
图3-4 压力洗浆机工艺流程
③压力洗浆机工艺流程
压力洗浆机的工艺流程如图3-4所示，多台串联实现逆流洗涤，其利用鼓风机产生的风压来加强设备的过滤能力

图3-5 双辊沟纹挤浆机工艺流程

图3-6 单、双螺旋挤浆机工艺流程

④其他洗涤设备流程
双辊沟纹挤浆机在流涤流程中布置较为灵活，有多台串联的，如图3-5所示，也与其它设备组合的，如在真空洗浆机组或长网压洗浆机前加一台双辊沟纹挤压机作为预处理等，为后段工序洗涤创造有利条件，这样的流程提取的废液浓度要高一些。除在其前布有除节设备外，因其纤维流失较大，故对废液还要配有纤维过滤机，来回收其中的纤维。
跟双辊沟纹挤浆机的流程与要求一样，单、双螺旋挤浆机在流涤流程中布置较为灵活，有多台串联的，如图3-6所示。
⑶ 产品特征
①苇浆
A、洗后粗浆尾槽残碱： ≤ 800 mg/l
B、黑液浓度： ≥ 6.8’Be（15℃）
C、黑液温度： ≥ 75 ℃
D、黑液提取量： ≥ 80 m3/锅
②木浆洗涤
A、洗后粗浆尾槽残碱： ≤ 500 mg/l
B、黑液浓度： ≥ 7.6’Be（15℃）
C、黑液温度： ≥ 70 ℃
D、黑液提取量： ≥ 75 m3/锅
3.2 黑液提取设备简介
3.2.1真空洗浆机
真空洗浆机是常用的浆料洗涤设备，用于洗涤硫酸盐法木浆、竹浆、苇浆具有较好效果。目前我公司用的真空洗浆机，有过滤面积10平米、20平米、35平米、40平米、75平米、100平米等大、中及小型多种规格，生产能力平均每平方米滤网面积、每小时处理浆料120～180公斤。真空洗浆机是利用稀释脱水原理进行洗浆的设备。一般均采用3～5段串联逆流洗涤。
真空洗浆机由进浆槽、鼓槽、转鼓、分配阀、卸料装置、洗涤装置的稀释搅拌槽所组成，其结构见图3-7所示。

图3-7 真空洗浆机

真空洗浆机的转鼓是由辐射方向的隔板分成若干互不相通的小室组成，随着转鼓的转动，小室通过分配阀分别依次接通自然过滤区、真空过滤区、真空洗涤区和剥浆区，从而完成过滤上网、抽吸、洗涤、吸干和卸料等过程。
3.2.2长网洗浆机/长网压榨洗浆机
长网洗浆机及长网压榨洗浆机是近年来我国试生产的一种适于洗涤化学木浆的洗涤设备，结构很像一台长网抄纸机的网部，它主要由流浆箱、滤网、真空箱体、张紧装置及导辊等组成。长网压榨洗浆机则在长网机的基础上还增加了几个压辊、顶网及其附属设备，结构如图3-9所示。

图3-9长网压榨洗浆机示意图
3.2.3 螺旋挤浆机
螺旋挤浆机可分为单螺旋挤浆机和双螺旋挤浆机，其工作原理均是利用机械挤压作用提取黑液，这里仅介绍单螺旋挤浆机。单螺旋挤浆机主要由螺旋轴、滤水鼓、传动装置等组成，其结构如图3-10所示。螺旋轴是单螺旋的主要部件，由轴体和叶片焊接而成。轴为导程不等距、叶片不等深结构，其外径不变。滤水鼓是用不锈钢板卷制的，制成对开式结构，钻有2～2.8mm的圆孔，孔距4～5mm。浆料由进浆口进入滤鼓，在具有一定压缩比螺旋的挤压下，使浆料体积逐渐被压缩，挤压后的浆料则由顶头和螺杆间隙挤出。

图3-10 单螺旋挤浆机结构示意图
3.2.4双辊挤浆机
双辊挤浆机也是高压高浓挤浆设备，利用机械挤压作用可将浓度为10%左右的浆料挤压到浓度为30%～40%。其分为双辊沟纹挤浆机和小孔双辊挤浆机两种。双辊沟纹挤浆机主要由机体、底板、前刮刀、防护罩、后刮刀、前压辊、后压辊、螺旋输送机、梳形刮刀及高压水装置等组成。
图3-11双辊沟纹挤浆机结构示意图

双辊沟纹挤浆机由两个同步相对旋转的压辊组成。辊面上有宽度为0.9～1mm的沟纹，在辊子两端的周围，均匀分布着直径为8～32mm相连通的排液孔。两个辊子安装在一个封闭的浆槽中，辊子的下半部浸没在浆液内。辊子两外侧中心线下装有梳形刮刀，刀片伸入沟纹中，以便疏通和清除沟纹内的浆料。两个辊子中，有一个是主动辊，另一个是从动辊，两辊间距可在0～22mm的范围内调节，以控制挤浆压力。在浆槽托架上，装有易于更换的密封装置，用来密封两侧与浆槽之间的空隙，以免漏浆。
⑵ 鼓式置换洗浆机

鼓式置换洗浆机简称为DD洗浆机，是在一个转鼓上分成多段进行洗浆，一台洗浆机即可完成全部的洗涤工作，具有真空洗浆机、长网洗浆机和压力洗浆机的特性和优点。
鼓式置换洗浆机的主要结构如图3-15所示，主要由一个转鼓和封闭罩构成，此外还有增压泵、热水泵、封闭挡板、压缩空气和真空系统及各种管路等。
图3-12 鼓式置换洗浆机结构简图
转鼓是鼓式置换洗浆机的核心部件。转鼓的外表面由不锈钢隔板分隔成若干部分，在相邻的两个隔板之间装有3mm厚、孔径1mm、孔距2mm的不锈钢过滤板。固定的密封板附在外壳上，与转鼓表面的隔板接触，以进行密封。利用密封板将转鼓表面分成成型段、置换洗涤段、真空吸滤段及卸料段。

图3-16 鼓式置换洗浆机工作原理图

图3-16是鼓式置换洗浆机工作原理图。经除节后的未洗浆以适当的浓度和压力泵送入浆层成型区，在无空气干扰和进浆压力作用下，浆料大量脱水，并快速而均匀的形成浆层，滤液通过滤板后，经转鼓两端的分配阀流至区间的管路中进入黑液槽。当成型区的腔室全部被纸浆充满至隔板顶端时，浆层被挤压至一定厚度的过滤层，当这个腔室转过第一块密封挡板时，过量的纸浆被挡回。在运行时，由于进浆压力和流量基本稳定，因而从成型区进入洗浆段的浆层厚度和紧密程度基本一致，在浆料浓度为10%～12%时进入洗浆段。
在置换洗浆段利用了逆流洗涤法，即第4洗浆段用热水洗涤，第3段用的洗液是第4段泵送来的滤液，第2段的洗液用第3段滤液，第1段的洗液用第2段的滤液。第1段的滤液进入黑液槽。洗浆段之后是真空吸滤区，浆层在真空度约0.05Mpa的吸滤下增浓至浓度15%～16%，成为滤饼状，进入卸料段后受到一个压缩空气脉冲压力作用将浆层吹落至下方的碎浆式螺旋输送机。吸滤段的滤液也泵送至第3洗浆段作为洗涤液。
思 考 题
1、为什么草类浆洗涤要采用强制真空而木浆则可采用自然真空？
2、如何提高黑液浓度，并且降低洗后残碱？
3、黑液提取量与洗涤用水量的关系？
4、对于真空洗浆机而言，如果洗涤面积不够，从过滤、挤压、扩散三个方面思考可采取哪些措施来保证黑液提取量和黑液质量不下降？
参考文献
[1] 杨淑蕙主编 《植物纤维化学》中国轻工业出版社2009年8月第3版
[2] 谢来苏、詹怀宇主编 《制浆原理与工程》 中国轻工业出版社2001年5月第2版
[3] 王忠厚主编 《制浆造纸工艺》中国轻工业出版社 2008年5月第2版 [4] 陈克复主编 《制浆造纸机械与设备》上册 中国轻工业出版社1988年3月第3版