パルプ工場

パルプ工場は、木材チップやその他の植物繊維源を厚い繊維板に変換する製造施設であり、製紙工場に出荷してさらに処理することができます。 パルプは、機械的、半化学的、または完全に化学的方法（クラフト法と亜硫酸法）を使用して製造できます。 ^{[1]完成品は、顧客の要件に応じて、}漂白または非漂白の いずれかになります。

パルプの製造に使用される木材やその他の植物材料には、水以外に、セルロース 繊維（製紙に必要）、リグニン（セルロース繊維を結合する三次元ポリマー）、ヘミセルロース（より短い分岐炭水化物ポリマー）という 3 つの主要成分が含まれています。パルプ化の目的は、チップ、茎、その他の植物部分など、繊維源のバルク構造を構成繊維に分解することです。

化学パルプ化は、リグニンとヘミセルロースを小さな水溶性分子に分解することでこれを実現します。この分子は、セルロース繊維を脱重合することなくセルロース繊維から洗い流すことができます (セルロースを化学的に脱重合すると、繊維が弱くなります)。グラウンドウッド (GW) パルプ化やリファイナーメカニカル (RMP) パルプ化などのさまざまな機械パルプ化方法では、セルロース繊維を物理的に引き裂きます。リグニンの多くは繊維に付着したままになります。繊維が切断される可能性があるため、強度が低下します。関連するハイブリッドパルプ化方法では、化学処理と熱処理を組み合わせて、短縮された化学パルプ化プロセスを開始し、その後すぐに機械処理を行って繊維を分離します。これらのハイブリッド方法には、サーモメカニカルパルプ化 (TMP) とケミサーモメカニカルパルプ化 (CTMP) があります。化学処理と熱処理により、その後の機械処理に必要なエネルギー量が削減され、繊維の強度低下も軽減されます。

製紙用のパルプを製造する最も古い方法は、8世紀のアッバース朝のサマルカンドで水力を利用したものでした。^[2]

以下のサブセクションの技術に関する情報の多くは、CJ Biermann の著書から引用したものです。^[3]さまざまなパルプ化プロセスの化学については、Sjöström の著書に記載されています。^[4]

パルプ工場で最も一般的な繊維源はパルプ材です。その他の一般的な供給源はバガス^[5]と繊維作物です。木材を繊維源として使用するすべての工場での最初のステップは、樹皮を取り除くことです。樹皮には使用可能な繊維が比較的少なく、パルプを暗くします。取り除かれた樹皮は、他の使用できない植物材料と一緒に燃やされ、工場を稼働させるための蒸気を生成します。その後、ほぼすべての木材は、繊維を取り出すためにさらに処理される前にチップにされます。

樹皮の除去は、樹皮剥ぎ機（または皮剥ぎ機）で行います。樹皮の付着力は、生育期（夏）では約 3～5 kg/cm ²ですが、休眠期（冬）では 2～3 倍になります。凍結した丸太の樹皮は、除去がさらに困難です。

化学パルプ工場では、樹皮がカルシウム、シリカ、アルミニウムなどの望ましくない汚染物質を取り込み、スケールの原因となり、化学回収システムに余分な負荷をかけます。白樺の樹皮には、パルプ工場で堆積物を作りやすい テルペノイドであるベツリンが含まれています。

初期の工場では、砂岩の粉砕ローラーを使用して「ボルト」と呼ばれる小さな木の丸太を砕いていましたが、1940 年代にシリコンカーバイドまたは酸化アルミニウムが埋め込まれた人工石が導入されたため、天然石の使用は終了しました。このプロセスで作られたパルプは、「石挽き木材」パルプ (SGW) として知られています。木材が加圧密閉グラインダーで粉砕された場合、パルプは「加圧挽き木材」 (PGW) パルプに分類されます。ほとんどの現代の工場では、丸太ではなくチップを使用し、砥石の代わりにリファイナープレートと呼ばれる隆起した金属ディスクを使用しています。チップがプレートで粉砕される場合、パルプは「リファイナーメカニカル」パルプ (RMP) と呼ばれ、チップが精製中に蒸気処理される場合は「サーモメカニカル」パルプ (TMP) と呼ばれます。蒸気処理により、パルプの製造に必要な総エネルギーが大幅に削減され、繊維への損傷 (切断) が減少します。機械パルプ工場は大量のエネルギーを使用しますが、そのほとんどは粉砕機を回転させるモーターを動かすための電力です。必要な電気エネルギーの大まかな見積もりは、パルプ1トンあたり10,000メガジュール（MJ） （ 1トンあたり2,750  kWh） です。

クラフト（または硫酸）法や亜硫酸法などの化学パルプ化プロセスでは、ヘミセルロースとリグニンの多くが除去されます。クラフト法は亜硫酸法よりもセルロース繊維へのダメージが少なく、より強い繊維を生成しますが、亜硫酸法では漂白しやすいパルプが作られます。化学パルプ化プロセスでは、高温とアルカリ性（クラフト）または酸性（亜硫酸）の化学物質を組み合わせて、リグニンの化学結合を切断します。しかし、クラフトパルプ化プロセスにおける大気汚染と廃水排出物の汚染物質は広く文書化されています^{[6] [7] [8]}

蒸解釜に投入される材料は、パルプ化液が完全に浸透できるほど小さくなければなりません。木材の場合、丸太はチップにされ、そのチップは篩にかけられて、蒸解釜に投入される材料が均一なサイズになるようにします。大きすぎるチップは燃料として使用されるか、再度チッパーに通されますが、おがくずは燃やされるか、販売用に収集されます。篩にかけられたチップまたは切断された植物材料 (竹、ケナフなど)は蒸解釜に送られ、そこでパルプ化化学物質の水溶液と混合され、次に蒸気で加熱されます。クラフト法では、パルプ化化学物質は水酸化ナトリウムと硫化ナトリウムで、その溶液は白液として知られています。亜硫酸法では、パルプ化化学物質は金属 (ナトリウム、マグネシウム、カリウム、またはカルシウム) と亜硫酸アンモニウムまたは亜硫酸塩の混合物です。

数時間蒸解釜に入れられた後、チップまたは切断された植物材料は、濃厚なお粥のような粘稠度に分解され、蒸解釜の出口からエアロックを通して「吹き飛ばされる」か、または押し出されます。圧力の急激な変化により、繊維が急速に膨張し、繊維がさらに分離します。結果として生じる水溶液中の繊維懸濁液は、「ブラウンストック」と呼ばれます。

ブラウンストック洗浄機は、向流を使用して、使用済みの蒸解薬品と分解されたリグニンとヘミセルロースを除去します。クラフトプロセスでは黒液、亜硫酸プロセスでは赤液または茶液として知られる抽出液は、濃縮され、燃焼され、回収プロセスでナトリウムと硫黄の化合物がリサイクルされます。リグノスルホン酸塩は、亜硫酸プロセスの使用済み液から回収される有用な副産物です。^[9]きれいなパルプ（ストック）は、最終用途に応じて、漂白工場で漂白することも、漂白せずに残すこともできます。ストックはパルプマシンのワイヤーに噴霧され、水が排出され、繊維のシートをプレスすることでさらに水が除去され、次にシートが乾燥されます。この時点で、パルプのシートは数ミリメートルの厚さで表面が粗く、まだ紙ではありません。乾燥したパルプは切断され、積み重ねられ、梱包され、必要なさらなる処理のために別の施設に出荷されます。

漂白クラフトパルプと漂白亜硫酸パルプは、高品質の白い印刷用紙の製造に使用されます。未漂白クラフトパルプの最も目立った用途の 1 つは、強度が特に重要となる茶色の紙のショッピングバッグや包装紙の製造です。溶解パルプとして知られる特別なグレードの漂白亜硫酸パルプは、下剤から焼き菓子、壁紙の糊まで、幅広い日用品に使用されるメチルセルロースなどのセルロース誘導体の製造に使用されます。

一部の工場では、機械式パルプと同様の装置で精製する前に、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、その他の化学薬品で木材チップやわらなどの植物材料を前処理します。化学処理の条件は、化学パルプ化プロセスよりもはるかに穏やかです (低温、短時間、極端でない pH)。これは、繊維を精製しやすくすることが目的であり、完全な化学プロセスのようにリグニンを除去することが目的ではないためです。これらのハイブリッド プロセスを使用して製造されたパルプは、化学熱機械パルプ (CTMP) として知られています。CTMP 工場はクラフト工場と同じ敷地内にある場合があり、CTMP 工場からの排水をクラフト回収プロセスで処理して、無機パルプ化化学薬品を再生することができます。

パルプ製造工程には多くの生産段階があり、通常は中間貯蔵タンクが組み合わされています。各段階の信頼性は異なり、ボトルネックも日によって異なるため、パルプ工場のスケジュールを立てる際には、これらのボトルネックと障害や故障の可能性を考慮する必要があります。^[10]各段階には、蒸気、水、化学物質の投入量など、異なる決定変数がある場合もあります。最後に、エネルギー要件の一部は化石燃料ボイラーで満たされる可能性があるため、スケジュールでは燃料の最適化とCO2_排出量を考慮する必要があります。^[11]全体的な目標は、最小のコストで生産を最大化することです。

ステンレス鋼はパルプ・製紙業界で広く使用されています^[12]。主な理由は、製品への鉄の汚染を防ぐことと、製紙工程で使用されるさまざまな化学物質に対する耐腐食性です^{[12] 。}

パルプ製造プロセス全体では、さまざまなステンレス鋼が使用されています。たとえば、二相ステンレス鋼は木材チップを木材パルプに変換する蒸解釜で使用されており、6% Mo スーパーオーステナイト系ステンレス鋼は漂白工場で使用されています。

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