石灰制备轻质碳酸钙在双胶纸中的应用研究与工程实践

摘要

本研究利用碱回收锅炉剩余烟气和石灰自制轻质碳酸钙（PCC），并应用于双胶纸生产。与外购PCC相比，自制PCC成纸的灰分含量提高4个百分点左右，不透明度、白度分别提升2个百分点和3个百分点。项目投产后，控制填料总成本不变，双胶纸平均定量降低了0.3 g/m²，不透明度提升了2个百分点，平滑度提升了3 s，厚度和印刷表面强度也略有提升。

关键词

石灰; 填料; 轻质碳酸钙; 灰分; 平滑度

为响应国家政策，同时满足企业转型和产品提质的需要，某公司利用碱回收锅炉剩余烟气和石灰自制轻质碳酸钙（PCC）。该自制PCC生产线设计产能5万t/a（绝干质量），将外购石灰消化后，与碱回收锅炉烟气中的CO₂反应生成碳酸钙，可吸收利用CO₂约2.2万t/a^[2]。自制PCC项目能够通过特有的晶型控制技术，满足不同纸种对PCC晶型的需求，生产高品质定制化的填料级PCC，有效提高产品纸张的关键性能指标，如纸张松厚度、不透明度、白度和平滑度等，且与重质碳酸钙（GCC）相比，磨耗较低，能够降低纸机网部的磨损^[3]。同时该技术可以满足产品转型升级等相关需求，助力企业生产差异化的产品，降低纸张综合成本，提高市场竞争能力。

1 实验

1.1　实验原料及仪器

1.1.1　主要原料

外购GCC（碳酸钙（CaCO₃/干基计）含量≥97.0%，白度≥90.0%，盐酸不溶物≤0.7%），产地河南，使用前进行研磨处理至60级，固含量为（70±1）%；外购PCC（碳酸钙（CaCO₃/干基计）含量≥97.0%，沉降体积≥2.6 mL/g，pH值（质量分数10%的悬浮液）为9.0~10.5）；自制PCC（白度≥92.0%，固含量为（20±2）%，pH值为7.5~9.5）。表1为填料的详细指标。纸浆及化学品等均取自驻马店市白云纸业有限公司原料库。

表1  填料详细指标对比结果

Table 1  Comparison results of detailed index of fillers

项目	外观	固含量/%	白度/%	粒径/μm			pH值	电导率/μS·cm-1
				D90	D50	D20
外购GCC	液体	70.58	90.11	5.89	2.44	1.33	9.86	676
外购PCC	膏状	62.52	92.21	5.47	3.22	2.20	10.43	1832
自制PCC	液体	20.78	93.63	6.20	3.57	2.53	8.85	1228

1.1.2　主要仪器

表2为实验所用仪器及设备。

表2  主要实验仪器及设备

Table 2  Main experimental instruments and equipment

仪器名称	型号	制造商
激光粒度分析仪	SZ-100 V2	日本Horiba科学仪器事业部
扫描电子显微镜（SEM）	XL30	美国FEI公司
卤素水分测定仪	XY-MW	常州市幸运电子设备有限公司
标准疏解机	73-18	瑞典Lorentzen & Wettre公司
水循环式抄片器	CPJ-200型	济南辰驰试验仪器有限公司
数显搅拌器	C-MAG HP4	德国IKA公司
白度测定仪	XT-48B/BN	杭州研特科技有限公司
平滑度测定仪	BST	杭州轻通博科自动化技术有限公司
印刷适应性测定仪	AIC2-5	IGT公司
可勃吸收性测定仪	COBB	杭州轻通博科自动化技术有限公司
pH计	PHS-3C	上海仪电科学仪器股份有限公司

1.2　实验方法

1.2.1　抄纸

为贴合生产实际以便指导后续生产，本课题中抄纸实验模拟驻马店市白云纸业有限公司定量78 g/m²双胶纸的生产工艺，GCC与PCC质量比为6∶4，针叶木浆∶阔叶木浆∶化学机械浆=20∶45∶35（质量比），纸机湿部化学品，如三元助留剂、中性施胶剂AKD、增白剂等用量按照实际工艺比例添加，表3为详细的实验工艺条件。

表3  实验工艺条件

Table 3  Test process conditions

项目		参数
浆料配比（质量比）	针叶木浆	20
	阔叶木浆	45
	化学机械浆	35
打浆要求	针叶木浆	游离度（340±20） mL；湿重：13~15 g
	阔叶木浆	游离度（400±20） mL；湿重：2~3 g
	化学机械浆	游离度（280±20） mL；湿重：1~2 g
助剂添加量	填料	GCC∶PCC=6∶4（质量比）
	AKD	8 kg/t纸
	固体助留剂	400 g/t纸
	助留微粒	180 g/t纸
	膨润土	4 kg/t纸
	阳离子淀粉	10 kg/t纸
	增白剂	8 kg/t纸

1.2.2　添加填料

对填料添加量进行2组平行实验，分别为270 kg/t纸和320 kg/t纸；同时保持GCC添加比例不变，自制PCC全部替代外购PCC进行抄纸；并根据相关标准，检测手抄片的松厚度、平滑度、不透明度和白度等指标。为更贴近生产实际，按照GB/T 742—2018中的要求对纸张灰分含量进行测定，灰分含量与PCC添加量呈正相关。外购PCC添加量为270 kg/t纸和320 kg/t纸，纸张烧结灰分含量分别为16.2%和18.3%，自制PCC全部替代外购PCC制备纸张烧结灰分含量分别为16.7%和18.7%。

2 结果和讨论

2.1　填料性能分析

通过表1中的填料指标情况可以分析得出，与GCC相比，PCC白度高、粒径分布范围窄、中值粒径高、成纸柔软、光泽性好；添加PCC可以使纸张具有更好的表面强度、松厚度和不透明度，且对工艺设备的磨损度较低。与外购PCC相比，自制PCC能够通过调整生产工艺，对其粒径和晶型进行精确控制，适应更多的产品；由于自制PCC电导率低，因此带入系统的阴离子少，不仅能够改善纸机湿部的滤水性能，减少填料流失，提高纸机系统留着率，而且可以减少湿部化学品的消耗^[4-6]。

造纸用PCC形态有方解石和文石，方解石为偏三角体或菱形聚集体，文石为针形和针形的聚集体；双胶纸用PCC形貌一般为纺锤状或菊花状。图1为外购GCC、外购PCC和自制PCC的SEM图。由图1可知，外购GCC边缘棱角锋利，对纸机网部、脱水元件等设备的磨耗度高；自制PCC较外购PCC有较大的空隙体积，颗粒蓬松。由于外购PCC干度在70%左右，作为商品出厂前，通过离心脱水或压榨工序，部分纺锤状结晶形状被破坏，尤其是纺锤体的尖部，因此比表面积变大，使用其制备的纸张强度降低，且施胶困难^[7-9]。自制PCC通过管道直接送至造纸车间，能够保持晶型稳定，避免了离心脱水或者压榨工序带来的负面影响，同时也避免了二次分散，不需添加分散剂，对纸机湿部系统控制更加有利。

图1  自制PCC与外购GCC、PCC的SEM图

Fig. 1  SEM images of self-prepared PCC， purchased GCC， and PCC

2.2　纸张性能分析

图2显示了添加不同质量的自制PCC与外购PCC对纸张松厚度、平滑度、不透明度、白度、吸水值和抗张指数的影响。从图2可以看出，与添加外购PCC相比，添加自制PCC的填料留着率较高，且很多性能相近，如松厚度、平滑度和抗张指数；但自制PCC成纸有更高的白度和更好的不透明度，填料添加量相同时，灰分提高4个百分点，白度提升了3个百分点，不透明度提升了2个百分点，同时防水性能较好，Cobb吸水值降低了3.0 g/m²左右，更有利于施胶。

图2  自制PCC与外购PCC对纸张松厚度、平滑度、不透明度、白度、吸水值、抗张指数的影响

Fig. 2  Effects of self-prepared and purchased PCC on bulk, smoothness, opacity, brightness, Cobb value, tensile index of paper

由于自制PCC通过管道直接输送至造纸车间，节省了物流运输、压榨脱水及二次分散等成本，在填料总成本不变的前提下，企业可以提高PCC的添加量，来提高纸张的松厚度和平滑度指标，改善产品印刷性能。

3 应用实践

图3为某企业自制PCC生产及使用工艺流程图，外购石灰与H₂O反应生成Ca(OH)₂浆液，在碳化反应器中与洗涤后的碱回收锅炉烟气进行碳化反应，生成的CaCO₃浆液经过滤、筛选送至纸机工段使用。

图3  石灰制备轻钙生产及使用流程图

Fig. 3  Flow chart of PCC prepared by lime and use

自制PCC项目实施后，成本较使用外购PCC时降低了近15%，在填料总成本控制不变的前提下，某企业文化纸产品（双胶纸、轻型纸及静电纸等），均统一上调了PCC的添加量，由之前的40%提高至50%，纸张品质也得到改善。以78 g/m²双胶纸为例，表4显示了自制PCC项目实施前后的双胶纸产品性能指标对比，数据为实际生产检测值的平均值。

表4  自制PCC项目实施前后纸张指标对比

Table 4  Comparison of properties of paper before and after implementing self-prepared PCC project

项目	实施前	实施后
定量/g·m-2	78.6	78.3
厚度/μm	96.0	96.3
不透明度/%	90	92
印刷表面强度/m·s-1	2.6	2.7
平滑度/s	35	38

从表4可以看出，较自制PCC项目实施前，自制PCC项目实施后，78 g/m²双胶纸产品平均定量降低了0.3 g/m²，不透明度提升2个百分点，平滑度提升了3 s，厚度和印刷表面强度也略有提升。

4 结论

4.1 某企业利用碱回收锅炉剩余烟气中的CO₂与石灰反应自制轻质碳酸钙（PCC），每年可吸收利用2.2万tCO₂，符合国家环保政策，有利于公司打造环境友好型、资源节约型和可持续发展型企业。

4.2 通过实验模拟，填料添加量相同时，添加自制PCC与外购PCC相比，成纸灰分含量提高4个百分点。由于自制PCC具有较大的空隙体积，颗粒蓬松，且在生产使用过程中晶型未被破坏，比表面积小，因此成纸不透明度、白度分别提升了2个百分点和3个百分点，同时防水性能好，Cobb吸水值降低了约3.0 g/m²。

4.3 某企业自制PCC项目投产后，PCC成本降低了15%，在填料总成本控制不变的前提，上调了PCC的添加量，78 g/m²双胶纸产品平均定量降低了0.3 g/m²，不透明度提升2个百分点，平滑度提升了3 s，厚度和印刷表面强度也略有提升。