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再生纤维与废纸脱墨技术 第3章再生纤维的加工单元操作 1 再生纤维的加工处理系统通常比原生纤维的更为复杂 主要有两个原因 首先 回收的废纸中通常是各种类型纤维及各种等级纸的混合 更重要的是它还含有一部分污染物及一些有害物质 根据它们的来源可以做如下分类 在原纸的生产过程中的添加剂 如填料 染料 涂料及各种化学助剂 在使用过程中加入的各种物质 如印刷油墨 涂料 金属箔以及各种胶粘物 在回收过程中混入的各种物质 如铁丝 打包带 沙子 石头 纸夹 文件夹等 2 目前 在许多纸和纸板的生产中 正越来越多地使用回收纤维代替各种原生纤维 因而 相应地对再生纤维的质量和洁净度就有了越来越高的要求 废纸制浆根据所使用的废纸原料不同和生产的最终产品的种类不同 有不同的处理流程和设备 一般来说 废纸的处理包括 废纸制浆 废纸的离解 筛选 净化 浮选与洗涤 浓缩脱水 混合与贮存 3 3 1制浆在废纸制浆过程中 制浆的目的是 在最大限度地保持废纸中纤维的原有强度的情况下将废纸分散成纤维悬浮液 并将废纸中固体污染物如砂 石 金属等重杂质及绳索 破布条 玻璃纸 金属箔 塑料薄膜等体积大的杂质有效分离 在处理需要脱墨的废纸时 还需在制浆阶段加入一定量的脱墨剂及化学药品 通汽加热等 以期达到将纤维与印刷油墨 胶粘物等分离的目的 传统的回收废纸制浆是在水力碎浆机中完成的 为节约能源 通常只是粗洗及对重杂质进行分离 然后使用圆筛或高频疏解机进行精细分解 4 近年对于回收的湿强度较高的废纸 也有使用蒸汽爆破法和氧碱法 经过加热蒸煮 添加化学药品或两者同时使用而制得再生纤维浆的 3 1 1水力碎浆机制浆原理水力碎浆机碎浆时 原料的机械强度因润湿而降低 纤维之间的氢键断裂 图3 1 湿润后废纸的抗张强度分别下降86 98 和60 80 图3 2显示强度的下降速度非常快 低定量纸在lmin之内可降低95 因此 废纸的快速完全润湿对于有效碎浆是相当重要的 5 6 7 对于难处理的废纸浆 当加热到75 时抗张强度也会进一步下降 如必要 可加入化学药品 可以达到良好的碎浆效果 制浆时所采用的适宜的碎解力应该要大于原料的强度或污染物与纤维之间的粘附力 同时力又不能过大 否则污染物将会被过度破碎而难以去除 水力碎浆机的碎浆作用主要是由于转子的机械作用和转子回转时所引起的水力剪切作用 使废纸浆料间互相摩擦 最终达到碎浆目的 3 1 2碎浆设备碎浆设备通常分两种 水力碎浆机和圆筒疏解机 8 9 根据处理原料的不同 碎浆机可分为3种 高浓碎浆机 浓度可高达19 中浓碎浆机 浓度可达到12 低浓碎浆机 浓度为6 高浓和中浓碎浆机通常是间歇操作的 而低浓碎浆机通常为连续式操作的 不同等级废纸的碎浆曲线可用来评定碎浆机的操作特性 对于间歇式操作 这些曲线表明废纸碎片含量与时间和动力消耗之间的关系 废纸碎片是指小的碎纸片或碎纸板片 10 11 碎浆特性取决于原料的湿强度 高湿强度废纸的比低湿强度废纸更难解离 需较长的制浆时间 1 高浓和中浓水力碎浆机高浓 中浓水力碎浆机通常都是间歇操作 加入水和原料碎浆稀释放料 如有必要再分离冲洗残余物 其主要优点是节约了制浆的动力消耗 减少了对杂质的碎解 以利其后杂质更好地去除 对于处理脱墨浆 还可以节省化学药品 油墨的去除也更完全 碎浆的另一个任务就是在高浓范围内如何有效地分离油墨 12 13 14 进入高 中浓碎浆机的废纸可以是松散的 也可以是打捆的 成捆的需要经过人工或自动解捆 然后再投入 这样可以促进原料在碎浆机里的润湿速度 以缩短碎浆时间 这种类型碎浆机多用于处理脱墨浆 旧报纸和杂志纸 或涂布纸 通常在每次操作后碎浆机都全部清空 包括粗渣分离和进一步的冲浆处理设备 图3 7为废纸处理的高浓碎浆系统 包括碎浆机 卸料系统 稀释水喂料系统 15 16 2 低浓水力碎浆机回收废纸进入低浓水力碎浆机 一般以松散的形式或打捆的形式均可 因此低浓碎浆机通常用于人工打包的纸或纸板 根据系统的可接受能力和回收纤维的等级 筛孔直径可以从6 20mm不等 孔径的大小只能是满足后面的筛选系统正常工作 不致于被过大过多的碎纸片带来超负荷的最佳值 对一般容易处理的浆料来说废纸碎片的含量通常为15 20 对于较难处理的浆 就要达到20 40 17 18 19 碎浆机中的铁丝 绳索 塑料片 金属片 布条等长条形轻杂质多在浆料旋涡的中心部位旋转 因而 只要将其一端缠住 就会利用旋涡的水力作用将其搓捻成绳 因此这类杂质的去除通常是由安装于水力碎浆机旁的绞索装置来完成的 如图3 10所示 20 据介绍 绞索装置一般用于11m3以上的连续式水力碎浆机上 由于绞出的绳索往往缠有各种非纤维杂质 直径可达200mm左右 甚至更大 因此 国外的绞索装置配有自控装置和绳索闸刀切断装置 当绳索每绞2 3m长时将其切断 另外 在使用绞索装置时 要注意控制碎浆浓度 应以3 5 5 5 为宜 这样可以保证浆料有足够的流动性 又不会因为浓度太低 绳索浮起来而影响排杂效果 低浓碎浆机也特别适合于间歇式操作处理湿强度等级的废纸 还可以通过加热和添加化学药品 但这要比高浓碎浆机有更高的费用 21 根据长期的实践经验 不算加热和添加化学药品的费用 碎浆时的动力消耗最低要25kW h t 但对于原料能够保持一定的裂断长 即使增加费用也是必要的 3 1 2 2圆筒疏解机圆筒疏解机也称圆筒式连续碎浆机是一种新型的碎浆设备 其结构简单 高效实用 用得最多的是处理以废旧报纸和杂志纸为主的脱墨浆 同时在低湿强度褐色浆上的使用也在不断增加 圆筒疏解机以100 120m min的圆周速度运转 直径为2 5 4m 长度达30m 因此需要足够大的空间 并且通常向放料端倾斜 22 23 圆筒疏解机有两个区 一个是高浓碎解区 另一个是筛选区 两者是以相反的方向运转的 高浓碎解区要求占圆筒长度的三分之二 筛选区为三分之一 松散的或去掉包装绳的废纸捆连同水及脱墨剂等化学药品一同被送入碎解区 该区的浆料浓度为14 20 圆筒转动时 内壁上的隔板重复地把废纸带起再跌落在圆筒底部硬表面上 产生温和的剪切力和摩擦力 使废纸纤维化而不破坏杂质 由于纤维分离过程中无切断作用 因而减少杂质被切碎后带来操作上的麻烦 在碎浆机的末端 有一挡环 可以保证浆料在碎浆区的停留时间 24 废纸在碎浆区经疏散后 进入圆筒表面加工有孔的筛选区 浆料被稀释到3 5 的浓度 筛孔直径大约6 9mm 稀释水从安装在筛选区上面的喷水管加入 这样可将堵塞在筛孔内的纤维反冲回圆筒内 废渣 通常由湿强度材料组成的污染物和碎纸片 被送往圆筒的尾端 作为低纤维物排放 良浆则从筛孔流入贮浆池 这种碎浆机的构造使其具有如下的优点 有良好的除杂能力 废纸原料可不经分选就直接使用 可节省大量分选费用 25 因其动力只消耗于圆筒的旋转上 无需搅拌 切断纤维及杂质等动力消耗 因而比水力碎浆机节省动力50 左右 化学药品可减少10 以上 蒸汽可节省60 纸浆通过筛孔的速度很慢 从而减少了废杂物冲洗通过筛孔进入良浆的可能性 废杂物从圆筒另一端排出 不再需要做进一步的纤维回收 整个废纸处理系统的设备费用减少 且设备易维修保养 筛孔不易堵塞 可长时间连续运转 26 3 1 3影响水力碎浆机效能的因素 1 转子结构的影响在1973年 一种碎解效率高 节约动力的新型转子面世了 被命名为节能型P S 伏克斯转子 PowerSaverVokesRotor 改进的原理主要是将原来转子的 翼 的高度降低了一半 这样动力消耗有较大的节省 且对废纸的碎解无多大影响 为弥补水力碎浆机中循环回流的减弱 而在 翼 上动力消耗不多的情况下 间接地加上类似泵叶的叶片 使循环回流继续保持良好 27 为清除转子下面的杂质 减少磨损 延长使用寿命 在转子下面和筛板的上面加上若干金属条 这种金属条使用的材料为钨铬合金或410铬钢 如果废纸的浆料太脏 转子旋翼的一侧面也可以使用这类钢材以减少磨损 P S 伏克斯转子的优点为 可以得到强力的回流 相同的产量可以节约20 30 动力消耗 同一型号 动力消耗相同 的水力碎浆机可提高产量20 30 节约设备投资 处理相同的废纸可采用更小型号的水力碎浆机 28 日本富士式水力碎浆机是通过把转子直径增大为普通水力碎浆机的两倍来降低碎浆动力消耗 LP型转子的圆周速度与普通水力碎浆机几乎相等 故转子的耐磨性能为普通水力碎浆机的4倍 为了提高转子对废纸浆的碎解 摩擦与搅拌作用 转子的8个翼片中 有相间4个高度为另外4个高度的两倍 并将其刃部制成锯齿状 其余4个翼片是以对废纸浆的碎解与摩擦作用为主 所有翼片的刃部均为强韧耐磨的高铬钼钢材制成 当翼片的刃部一旦破损时 可以方便地单独更换而不必拆除整个翼片 29 由于在大直径转子背面全部铺设筛板 通过转子回转废纸片 在筛板与转子之间被压碎 促进了浆料的碎解与精磨 转子与筛板之间的间隙在0 5 1 5mm之间可任意调节 S形转子适用于处理湿强废纸和一些碎解困难的废纸 碎浆浓度在3 9 S形转子的翼片设计独特 不但允许较高浓度的浆料通过筛板 而且可以避免筛板的堵塞 其工作原理如图3 12所示 在转子翼片的前缘 浆料受到指向筛板的压力 碎解好的浆料通过筛板 在转子叶片的后缘 产生的真空抽吸作用清洗筛板 30 日本相川公司的高浓水力碎浆机 其转子是专门设计的三螺旋 锥形 低摩擦力转子 碎浆浓度可高达18 与一般水力碎浆机靠机械力进行碎解的作用不同 螺旋状的转子结构在碎浆时可形成合理的浆料回流 转子低的转速不会使污染物质被破碎 能保持较大的尺寸 便于其后的净化处理 转子的高表面积使纸浆得到良好的循环并产生纤维与纤维间的剪切作用 使纤维被完全碎解而不会使污染物质破碎 31 32 2 浆槽结构的影响废纸的碎解主要受到机械作用和水力作用 而水力作用往往大于机械作用而起主导作用 在圆形槽中碎解废纸时 废纸沿着槽壁作循环流动 需要较长时间才能浸入液面之下 近年来水力碎浆机的浆槽结构的改进改变了浆料在浆槽中循环回流状态 这样既增加了纤维与纤维间的摩擦作用 又可使浆料在最短距离内运行到转子上 增加了浆料与转子的激烈接触次数 提高碎浆效率 图3 13为经过改造的浆槽结构原理图 33 34 Delta型水力碎浆机是在立式圆筒形浆槽内 设有三角形挡浆板 在结构仁为使处于底部中心的转子循环起来的浆料平稳地沿槽壁流动 将浆槽的底部制成双角结构形式 浆料在横向回流的转折点上 通过设在浆槽垂直壁上的三角形挡浆板强制使其反转 迅速地返回到转子处 Delta型水力碎浆机同过去的圆形浆槽相比 原料同转子的激烈接触次数增加 有效地降低了电耗 防止浆料碎解不均的现象发生 Valmet型碎浆机在浆槽内加4个三角形挡浆板 以改变浆料流动方向 增加浆料同转子的激烈接触次数 35 D形水力碎浆机有如下特点 有较高的纸浆抽提浓度 4 6 浆流湍动大 废纸捆浸人速度快 减少了加工时间 与常规圆形浆槽水力碎浆机相比 生产能力可提高30 以上 动力 投资费用均比圆形水力碎浆机省 占地面积较小 36 3 温度的影响温度提高后 废纸被软化 浆料容易吸水润胀和碎解 特别是那些重施胶的纸和含有油墨的印刷纸 加热会软化胶料并易脱除油墨 此外 会使浆料的钻度降低 具有良好的流动性 促进浆料循环 提高碎解效果 同时 由于浆料的粘度降低 可使转子所受的阻力减少 动力消耗降低 加热之后 在输入一定动力的情况下 转子的转速必然得到提高 在单位时间内浆料受撞击的作用增加 因此 加热可使碎解浆料时间缩短 生产能力提高 37 通常 可用 废 蒸汽或热水来加热浆槽内浆料 加热温度的高低 则根据废纸的种类和施胶情况而定 例如 施加三聚氰胺树脂的废纸 加热温度需高达90 而夏天处理废瓦楞纸箱可不加热 处理旧新闻纸则可加热到55 左右 提高碎浆温度 使得废纸的碎解和油墨的脱除易于进行 但应引起注意的是 去除废纸中的胶粘物正相反 去除胶粘物希望碎解温度较低 较高的碎解温度容易将胶私物软化 分散 破碎 使后续工序更难将其除去 有人研究认为当温度超过40 时 胶粘物的微细化会急速进行 高温碎解容易造成胶乳物的微细化 是使后续工序去除率恶化的原因 38 近年来碎浆工艺条件在发生变化 降低碎浆温度是一种趋势 特别是碎解废纸板基本上是常温 因水封闭循环而使温度升高时 碎浆机水的回路中可使用一个热交换器降低水温 4 pH值的影响在处理需要脱墨的废纸时 为了促进油墨的剥离 要在较高的pH值条件下进行碎浆 在处理废纸板时 大部分生产厂家不添加烧碱 但也有一些厂家在水力碎浆机中加入少量的烧碱 原因是加入烧碱可以提高碎浆效率 高pH值的条件将导致较多有机物溶解 高pH值的另一个副作用就是胶粘物被软化 微细化 使后续工序更难将其除去 39 5 浓度的影响提高碎浆浓度是有利的 纤维相互之间的摩擦作用增强 从实验得知 浓度与动力消耗呈直线关系 但单位产量的电耗随浓度的增加而减少 而对碎浆效果和碎浆时间的影响不大 据资料介绍 某生产厂家用高 低速水力碎浆机 在固定温度下做实验 发现3 4 5 和7 几种浓度下的碎浆时间差不多完全相等或稍微增加 而同样达到完全的疏解 单位电耗随着浓度的增加而减少 提高碎浆浓度可提高生产能力和节省单位动力消耗 40 近年来 国外采用高浓度碎浆技术的厂家越来越多 这是因为高浓碎浆有如下的优点 较低的制浆能耗 达到同样碎纸片含量的情况下 较好的纤维特性 如游离度 较好的纸板性质 较高的得率 因为纤维碎片性浆渣较少 操作更简便 水力碎浆机槽中无浆渣堆积 杂质破碎较少 从而可在早期大量除去 浆渣处理更简单 41 6 碎解时间的影响在一定的操作条件下 必然存在一个有效的碎解时间区间 超过这个区间 碎解率的提高就非常微小 碎浆的电耗与碎解率也得出同样的结果 废纸在碎解率为60 75 之前 电耗与碎解率成正比 超过以后电耗增加 而碎解减慢 如果企图延长时间来改善碎解效果是不经济的 必须控制碎解时间 使它在有效的时间范围内进行操作 42 3 2疏解3 2 1概述疏解是将尚未解离的小纸片碎解成单根纤维的过程 对于较难处理的废纸 保持高碎片含量的非连续式碎浆之后使用疏解机疏解是比较经济合理的做法 有资料证明 当离解率达60 时 动力消耗不多 达到75 时 动力消耗剧增 而疏解率却提高不快 所以不宜采用水力碎浆机高比率离解 否则将严重损伤纤维 降低纤维强度 疏解目的是将纤维全部离解而不切断损伤纤维 降低纤维强度 43 44 特别难处理的浆料通常还采用较高温度下化学药品处理的方法 以降低纤维间结合力 从而使离解更容易 使用分散剂也是一种有效的降低碎片含量的方法 疏解机的效率很大程度上取决于废纸浆料中的污染物 疏解机对于碎纸片有更强的破碎力 粗渣容易阻塞筛孔 因此 前面需要更有效的净化和筛选系统 从技术角度讲 圆筒筛将是更有效 更经济的设备 45 疏解机破碎原理 包括机械力 粘性力 加速力或者它们的合力 这些力比碎浆机的更大 因为它们既受到剪切力 又受到疏解机压区压力 但疏解力毕竟是有限的 对于高湿强度纸 需要更高的疏解力 通常采用高温和添加化学药品的方法来实现这一目的 图3 16为碎浆机和疏解机中不同处理条件下 所消耗的动力和碎片含量之间的关系 包括单纯的机械力 机械力 升温 机械力 升温 化学药剂三条曲线 圆筒筛不仅在几何形状上与碎浆机相似 而且流动特征也相似 与碎浆机相比 疏解机的疏解效果和动力消耗更加有效 圆筒筛远不如疏解机的效率高 因为不是所有的碎片都能受到高碎解力 46 47 3 2 2疏解设备 1 高频疏解机高频疏解机是常用的疏解设备 通常由一个高速回转的转盘和一个固定的定盘组成 转盘高速旋转 使废纸浆在转盘与定盘间受到强烈的冲击和足够的水力剪切作用 从而使废纸浆纤维疏解分散 同时浆料通过疏解机时有许多小的阻挡 如齿纹 刀片 沟槽 钻孔等以提高疏解效率 根据高频疏解机的结构设计形式可分为齿盘式 孔盘式 阶梯式 锥形等各种类型 48 49 疏解机的碎浆浓度通常为3 5 浓度增加 疏解效果好 但产量降低 转盘和定盘齿环的间隙应根据浆料性质来选择 间隙过大 离解能力降低 间隙过小 浆料通过量少 产量下降 故定子与转子的齿环间隙一般为0 8 1 0mm 这种设备所提供的高速的机械水力撕裂作用 使浆料中的碎纸片几乎全部分散成纸浆 无论废纸片含量 尺寸如何 碎解率至少可达到95 以上 即残留的废纸片含量低于5 其主要缺点是当金属碎片或塑料等杂物随浆料进人齿环时 易造成齿的断裂 因此 仅适用于处理筛选 除渣后的废纸浆及车间内含杂质少的损纸 50 其他类型的疏解机 如锥形高频疏解机工作区较小 纸浆要几次通过高剪切工作区 对易于处理的纸浆每通过一次疏解机需要消耗的动力在20 60kW h t 对较难处理的纸浆 就需要两次或更多次的处理 动力的需求就会大大增加 因此 疏解机的串联比并联更有效 这就要求每台设备都要有较高的通过量 碎浆系统的设计必须考虑到原料的种类 设备的通过量及浆料的浓度的影响 51 2 纤维分离机纤维分离机也称疏解分离机 对纤维有理想的疏解作用 而对纤维的损伤极小 是继续离解来自水力碎浆机浆料的新型设备 同时它又是废纸浆筛选的优良设备 纤维分离机一般装置在水力碎浆机之后 作为废纸 二级碎浆 及分离设备 筛板与叶轮靠得很近 加上高速旋转的叶轮与底刀间形成的流体运动 在筛板附近产生强烈的浆流 起到自动清扫筛孔的作用 52 这种纤维分离机的特点是 具有浆料二次疏解 轻杂质分离 重粗废料去除等3种基本功能 装置纤维分离机的碎浆流程可以处理低级的废纸 可减少原料的预处理 降低成本 使用纤维分离机 可提高原有水力碎浆机的生产能力 降低10 20 的单位能耗 3 疏解圆筒筛筛浆机尤其是圆筒筛浆机具有一定的疏解功能 安装于转子刀末端附近圆筒上的挡板具有极大的疏解作用 53 54 圆筒筛最初是用于高碎片含量纸浆悬浮液的粗筛选 用于疏解的优势是分离的同时对碎片没有作用 不碎解碎片 其不足是对浆料的碎解作用有限 对于回收的废旧包装纸及纸板产品的处理也已足够 55 4 盘磨机安装在水力碎浆机之后的国产 330和 370单盘磨浆机 有泵送和疏解双重作用 可作为废纸二次碎解设备 以补充水力碎浆机的不足 这种盘磨机的磨齿较薄 齿槽内设浆档 以防废纸片短路流出 为提高设备疏解性能 可在磨壳内壁加装一圈齿板 这种盘磨机设备投资少 动力消耗低 对于小型废纸制浆企业来说是有现实意义的 56 3 3筛选分离3 3 1筛选与筛分筛选是指从废纸再生浆中尽可能去除杂质碎片和固体污染物 并尽量减少纤维的流失 根据纤维长度和柔韧性来分离纤维 这种分离方式称为筛分 精确的区分纤维的长短是不可能的 只能在某一范围内分离纤维 筛分通常使用的也是普通的筛浆机 但在筛浆设备和操作条件上与所选设备还是有着细小却有效的区别 图3 20是两个分离的曲线图 说明了筛选和筛分的不同目的 57 58 筛选的主要目的是除去固体污染物 尽可能少地带出纤维 而筛分的主要目的是改变纸浆悬浮液的组成 更看重纤维的长度和柔软性 筛选在高碎片含量的废纸处理过程中是一个初步分离的过程 想通过一个操作单元就将大量的杂质去除 结果只会导致筛子的阻塞 从而引起机器设备的快速磨损 如筛板 转子等 片状的杂质如塑料片 未解离的碎纸片会干扰筛选 需要去除 可变形的杂质和一些豁性杂质的筛选也是非常必要的 需要将其在高载荷下破碎或改变其形状 59 筛选过程中纤维的损失是不可避免的 因此对筛选后渣浆的二段 三段甚至四段处理 对于减少这种损失是非常必要的 最后一段的排渣率裹带的浆料就是筛选系统的纤维损失 筛选系统的洁净率随着排渣率的增大而增加 洁净率说明了筛子或筛选系统从悬浮液中去除废物杂质的能力 高的排放率会使纤维大量流失 筛选设备的选择和系统的操作就要在最高的洁净率 最小的纤维损失 最少的投资之间选择最佳方案 60 3 3 2筛选原理与影响因素 l 分离概率杂质颗粒在筛选中是否被除去取决于它们的尺寸 形状和可塑性 非可塑性的颗粒如果尺寸超过筛子开口的大小 就会被阻留 有时一维或两维尺寸小于筛子开口的杂质也可能被筛除 如图3 21所示 从筛子上阻留下来的杂质颗粒需要尽快地排掉 不要在机器中停留太久 否则筛中大片杂质的聚集会与筛子的进口浆流混合 被筛除杂质中纤维的含量就会增加 从而造成排放率提高 61 62 2 流入状态对洁净率的影响洁净率不仅取决于筛子的开孔大小 还取决于开孔处浆流的流动状态 因为这决定着杂质颗粒 尤其是一维 二维尺寸小于筛子开口大小的粒子接近开口处时的取向 纸浆悬浮液向筛孔方向流动很大程度上取决于筛子的表面形状 例如棒形筛鼓 棒相对于切线方向的角度就会影响浆料的流入状态 如图3 22所示 由于不同的流动状态和在筛缝入口区所形成的涡流造成的结果 不同的污染物以及不同的筛选操作条件就会产生不同的效果 63 64 3 杂质的可塑性及筛选时的剪切力可塑性的低强度碎片杂质 很容易通过筛孔或筛缝 剪切力受浆浓 转子的形状和转速等的影响 一般在中浓范围比低浓更容易形成高的剪切力 也更容易使一些胶私物杂质碎解或变形而通过筛子 压力主要是来自筛子进出口的压差 在压力的作用下 较软的胶粘物杂质比硬的更容易通过 因而处理后浆料的洁净度就更差 65 筛选主要是通过抽吸力和压力的脉动来完成的 而脉冲的方式和幅度取决于转子的几何形状 转子与筛板之间的空间大小以及旋转的速度等 压力脉冲能引起纸浆悬浮液局部的或外围的变化 通过最高点时速度可达到平均值的好几倍 4 通过圆柱筛浆机的均衡流动浆料通过圆柱筛浆机整个孔板区时的均衡流动有利于浆料的顺利通过 并有利于通过量达到最高 对某一特定通过量来说均衡流动也是最佳的筛选状态 66 大多数的圆柱筛浆机都存在通过量的局部差异 原因 假设在筛筐各点进浆压力相同 筛后良浆的流速也将沿出浆口方向逐渐增加 这是因为圆柱形的筛筐横截面不变 浆料的流动速度会逐渐增加 根据柏努利能量定理 这会导致良浆出口端静态压力的减小 因而沿出口端静压逐渐减小 流速逐渐增加 造成不均衡现象 良浆出口端越粗这种影响就会越小 因此圆锥形的筛筐效果会更好 如出口做成 鱼嘴 形并放在筛筐下部较低的位置也可以提高均一性 如图3 23所示 67 68 3 3 3筛选设备通常 用于浆料筛选的设备如各种压力筛 离心筛 振动式平筛 高频振动圆筛等 都可用于废纸浆的筛选 目前比较先进的 国外使用较多的还是压力筛浆机 现代造纸工业中 压力筛浆机已是不可缺少的重要筛选设备 筛选设备要根据原料 杂质粒子 碎片含量及浆的浓度等来选择 可分为粗选和精选设备以及整个筛选系统的设计 圆盘筛浆机的筛板是平的 圆柱筛浆机的筛板是圆柱的 圆柱筛浆机的缝形筛板 69 70 3 3 3 1粗选圆盘筛浆机和圆柱筛浆机都可用于粗选 圆盘筛浆机最初是用于处理高杂质和高碎片含量的废纸浆 受高杂质含量的影响较小并且有很好的碎解功能 较洁净的纸浆悬浮液和成浆洁净度要求较高的废纸浆的处理 多采用圆柱筛浆机 l 圆盘筛浆机有些杂质成分会对碎浆过程造成极大的困难 碎浆后仍然会有很高的未碎解成分 因此使用圆盘筛浆机对其进行粗筛选 结果可有效减小纤维的损失 同时保证了后面筛选的正常平稳运行 71 有时圆盘筛浆机也用于圆柱筛浆机后的二段筛 其目的主要是进一步减少纤维流失 同时应用其良好的碎解功能确保后续筛选工段的顺利进行 72 2 圆柱筛浆机圆柱筛浆机也具有一定的碎解功能 但要比圆盘筛差得多 压力圆柱筛浆机处理浆料的浓度可高达4 5 作为粗选设备 其筛孔或筛缝比正常的筛选时要大 筛筐设计有几种不同的形式 转子可安装在筛筐进口或良浆出口处 通过筛筐的浆流可以是离心的也可以是向心的 多数情况是转子安装在筛筐进口端 浆流是离心的 转子和筛筐之间的距离在2 20mm 粗选和精选的转子设计是不同的 粗筛转子有叶状转子 阶梯形转子和鼓泡型转子 73 由于较高的污染物含量 粗筛比精筛更易于磨损 因而需要特殊的设计 如抗磨损的表面 较细的筛缝不宜用于此处 另外 必须保证耐磨材料运转顺利 74 3 末段粗选只有在此处筛选系统才对外排放废物 没有在此被排放的污染物则进入良浆中 再经过一次或多次的循环处理 尽可能去除废纸浆的杂质而达到最高的洁净率 并且纤维的流失要最小 这显然是矛盾的 所以要根据具体情况来选择相对的最佳值 下面是用于处理混合废纸的末端粗选的实例 如图3 26所示 这是在大气压力下工作的带转子和筛板的末段筛的示意图 浆料从进浆口进入 良浆连续通过筛板 渣浆被筛板截留并在此被浓缩 75 76 77 图3 27是在下半部加压而上半部在大气压下工作 下部使用一个圆盘筛进行预筛选 排放物被水稀释后送往机器的上部 大部分纤维会在压力作用下移向非压力区 最后将较高浓度的残渣排放 以上两种设备都具有较高的碎解能力 有助于减少纤维的流失 高浓排放也有助于减少纤维的流失 同时对于残渣的处理也是有利的 处理浆料的洁净率高 减少后续筛选系统负担 压力筛也可以用于末端粗选 可以连续或间歇操作 可以带或者不带冲洗循环 它的不足之处是碎解能力低 相应地浆中碎片杂质的含量受到一定限制 78 3 3 3 2精选 1 精选设备精选通常是在中浓粗选后的低浓筛选 对于短纤维含量较高的废纸浆的精细筛选 0 lmm或略高一点会更有效 而对本色浆一般用0 15mm的缝宽处理国内的旧瓦楞纸箱 用0 25mm的缝宽处理美国旧瓦楞纸箱 缝宽和齿形角的精度必须很高 运行效果很大程度上取决于精确的几何形状 特别是易造成磨损的杂质颗粒必须在进入精选前从悬浮液中除去 使用涡流除尘器在低浓范围内进行 也正是精选前必须先经过一个低浓净化的原因 对筛筐表面进行适当的保护处理可延长筛筐的寿命 磨损与齿形角的大小有关 小的齿形角有助于提高浆的洁净率 但会使通过量减少 79 棒形筛鼓是一种新型的产品 它的加工过程是先用激光技术加工棒条和加强箍的接触面 然后再将加强箍套入棒条制成筛板 把筛板滚压成圆柱形并焊接加强箍的两端 加工每一节筛板的末端凸缘 并对应焊接组成一个圆柱形筛鼓 最后进行表面处理 棒之间的距离如同筛缝宽一样 在整个筛筐上要精确 通过上述加工过程可使精度达到 0 0lmm的公差值 80 中浓范围内的精选 一般使用鼓泡型转子和多旋翼型转子 而低浓范围内的精选 一般使用多旋翼型转子 鼓泡型转子表面有半球形或楔形的突出块 由于鼓泡的数量和形状可改变筛选的质量和效果 其排列密度可以随筛选过程中纸浆浓度的增加而变化 因此可根据纸浆处理量 浓度和杂质含量等因素来确定鼓泡的数量 排列方法和形状 这种鼓泡型旋翼使整个筛选区域产生均匀的脉冲 使整个区域浆料流体化 可提高筛选浓度 可达到5 大大提高了生产能力 但能耗大 粗渣量大是其主要缺点 81 转子的旋翼很多 并且上下交错排列 其目的是为了在整个筛选区产生较多均匀的局部小脉冲 设计均衡 降低了筛浆区的压力和速度 使整个筛选在温和的条件下进行 不会影响上网浆量和压力的波动 82 2 末段精选为了满足质量的要求 末段精选通常使用的是缝筛 最佳的选择要综合考虑筛选效率和纤维回收率 两种末段精选设备 一种是连续式的 其洁净率较高但纤维流失也相对较高 见图3 30 另一种是间歇式操作 兼有洗浆的功能 每个循环结束时 筛中高杂质含量的悬浮液被冲洗水稀释 将纤维洗出 而废物间歇排放 图3 31为这种形式的筛浆机 它也可以进行连续式操作 83 84 85 3 3 3 3筛分筛分可使用圆盘筛浆机或圆柱筛浆机 设备的操作条件与筛选有一些不同 孔径要比筛选小 缝筛的筛缝也更窄 排放率筛选时为5 25 而筛分会较高 一般可达到30 40 3 3 4筛选系统进入筛浆机的浆料中杂质含量不同 对浆料的质量要求不同 应用的范围不同 就要选择不同的筛选系统 筛选系统的排列方式是多种多样的 每个筛选系统都是由几段组成的 如图3 32所示为几种筛选系统的排列方式 86 87 3 3 5菲因克 赛克洛筛菲因克 赛克洛 Finckh cyclo 筛是20世纪70年代由原西德制造的 它是一种将除渣和筛选结合起来的新型废纸筛选设备 如图3 33所示 它由上半部的旋翼筛和下半部的锥形除渣器组成 可在5 左右的浓度下进行操作 该设备上半部的筛选部分是一个由旋翼转子和筛鼓组成的筛选室 旋翼转子是一个不锈钢的空心体 上面焊有稍微倾斜的旋翼 空心体的下部用一个盖密封 盖上焊有小叶片 以加快浆料的流入 88 浆料以150kPa的压力从切线方向进入旋翼筛圆筒的下部 旋翼作用下 使纸浆的线速度达到11m s左右 离心力使重杂物向外圆周运动 然后沿器壁落到锥底间断排走 含有塑料 泡沫等轻杂质和未碎解纸片的浆料在下部锥体最窄处沿中心部位往回上升排出 89 菲因克 赛克洛筛把锥形除渣器和旋翼筛结合在一台设备内 可同时除去轻 重两类杂质 因而简化了处理流程 当把它装在水力碎浆机之后筛选废纸浆时 仅需将其尾浆送疏解机处理 节省了疏解机的装机容量和动力消耗 当利用该设备进行两级串联处理废纸浆时 其良浆可不用再经盘磨机疏解 也减少了盘磨机的装机容量 90 3 4净化离心净化是将废纸浆中影响浆料质量和造成设备磨损的杂质去除 主要依靠它们与水密度不同 与纤维尺寸和形状不同的特性来达到分离的作用 通常所用的分离设备是涡旋除渣器 工作原理与普通的除渣器一样 主要讨论其处理废纸浆的特殊方面和主要要求 废纸浆中所含杂质的量大 种类和成分更复杂 91 3 4 1净化原理 1 液体动力原理涡旋除渣器中的浆流分三个方向 圆周运动的浆流产生离心力 轴向运动的浆流运送固体颗粒使其分离 半径方向的浆流逐渐从外围向中心运动 涡旋除渣器根据良浆口和渣浆口与进浆口的相对流动方向可分为逆流和顺流两种 在逆流除渣器中 进浆口和良浆出口在上部 渣浆排放口在底部 在顺流除渣器中 渣浆口和良浆口在进浆口相反的方向 92 93 重杂质颗粒沿器壁螺旋下降通过排渣口 排放量约为进浆体积的3 15 或进浆质量的3 30 轻杂质颗粒会向净化器的中心移动 顶部排放口而排出 排放量约为进浆体积的3 15 或进浆质量的1 15 2 水力涡旋理论杂质颗粒被离心脱除 主要是靠它与纸浆悬浮液密度的不同 形状和尺寸差异也起重要的作用 进口的几何形状应该适合将泵的能量转换成浆流的旋转流动力 在除渣器顶部会安装转子 可以确保足够的切向流动速度 圆周分速度 尤其是在产量减少或浓度较高时 94 高的洁净率可通过以下多种方式得到 浆料入出口之间的高压差会产生一个高的切向速度和离心加速度 但会增加泵的动力消耗 因此有一定的局限性 较小的涡旋直径还要看最大杂质颗粒的尺寸或铁丝等废杂物的长度而定 而且小的除渣器生产能力低 需要并联更多台设备 增加设备的费用和运行费用 因此也是有一定限制的 低浓度高浓状态下 浆料固体物密度较大 相互之间的摩擦较大 阻碍粒子的运动 主要是指纤维含量 95 低碎片含量与浆料浓度一样 碎片的存在也会阻碍粒子的运动 会使纤维的损失增加 较高的温度可以减小水的粘度从而减小流动阻力 适宜的装载量和适宜的分离率要视通过量和排放率来操作除渣器 高排放率可提高分离效率 但纤维的流失也会增加 适宜的渣浆处理渣浆应尽可能的被连续处理 以减少纤维流失 一般间歇排渣操作的重杂质不再处理 96 几项与杂质颗粒特性有关的因素 与水密度相差较大的粒子 无论是重杂质还是轻杂质 都能够有效地分离 密度接近于1g cm3的重杂质或轻杂质也可以分离 通过改变悬浮液的温度来实现 例如 当温度从30 提高到80 水的密度将从0 995降低到0 971g cm3 同样密度的较大尺寸的杂质与纤维所受的离心力和浮力不同 因而可以得到良好的分离效果 例如 重杂质净化器很难分离直径为3 m的填料粒子 但分离30 m的涂料粒子却很容易 在水力作用下 杂质粒子的形状影响分离效果 球形的比扁平的更容易分离 97 3 4 2净化设备及影响因素 98 99 3 5浮选造纸工业中有两种浮选 一种是脱墨浮选 是有选择性地吸附废纸浆中的油墨粒子 将其去除 另一种是微浮选或气浮 用于净化水或污水 是没有选择性的整体固形物的气浮澄清 选择性的浮选用于处理回收废纸浆 目的是除去悬浮液中的污染物 分离的标准是具有不同可润湿性的粒子表面被除去而纤维被保留下来 在一定尺寸范围内 具有疏水性表面的杂质 对水排斥 能够上浮到悬浮液表面 100 复印机或喷墨打印机带来的调色剂颗粒 通过测量可测到的最小的颗粒尺寸是50 m 小于这一直径的油墨粒子认为不影响纸浆白度 在一定的脱水条件下 洗涤脱墨能将浆中小于30 m的填料和细小纤维除去 浮选脱墨可以有效地除去直径10 250 m范围内的杂质颗粒 并能保证填料和细小纤维的较高得率 有些浮选脱墨系统还能有效地除去500 m的大颗粒 更普遍的做法是两种方法的互补使用 可以使它们的优势得到更好的发挥 以满足废纸处理过程的高标准要求 101 3 5 1浮选原理3 5 1 1浮选的先决条件浮选的先决条件是杂质粒子必须脱离与纤维的吸附 从而能够在悬浮液中自由移动 同时也必须保证在一定的尺寸范围内 从纤维中脱出油墨粒子的机理还不是很确定 但有人认为机理中应该包括纤维在碎浆过程中膨胀 摩擦产生机械力和化学键断裂 在碎解废纸片时 通过纤维之间的摩擦 依靠机械力使油墨粒子与纤维分离 当然在碎解纤维 分离油墨的同时 印刷油墨不可避免地也有一部分被碎解 102 纸浆悬浮液中自由活动的油墨粒子的尺寸范围是很广的 炭黑和颜料颗粒的粒径通常为0 02 0 l m 凸版印刷油墨块粒径为1 5 m 胶版印刷的油墨块的粒径可能会大到100 m 氧化油墨块吸附纤维的力很大 因此粒子的粒径可达到500 m或更高 能够进行良好浮选的油墨粒子的尺寸范围是10 250 m 所以任何大的颗粒就需要变小 而小的颗粒需要聚集成较大的尺寸 同样体积的扁平的油墨比立方体的更难于浮选 因为此时需要改变其形状 103 通常所使用的印刷油墨大多数都是疏水性的 可以通过使用钙皂来加强 小油墨粒子的聚集 填料粒子特性的部分改变都是为了满足浮选的需要 从回收纤维浆料中去除杂质粒子的过程 注入空气 形成小气泡 疏水性粒子被气泡吸附 气泡向悬浮液表面浮动 形成一个泡沫层 通过溢流 机械装置或真空抽吸而除去泡沫 杂质粒子有的本身具有疏水性 有的需要通过添加合适的化学药品才能获得疏水性 如表面活性剂 104 3 5 1 2浮选的机理 1 概率机理浮选过程具有四种概率 必须有气泡才能碰撞 碰撞概率 强力的吸附 吸附概率 粒子 气泡集合体平稳地上升到泡沫层 平稳概率 经历泡沫层的去除 泡沫层粒子传送概率 气泡的数量和大小气泡和油墨粒子碰撞的概率随着气泡数量的增加 注入空气体积的增加以及油墨粒子数量的增加而增加 105 气泡和油墨粒子的碰撞碰撞概率的一个重要标准就是气泡和油墨粒子之间是相对运动的 它们才能充分接近并在合适的条件下吸附 吸附碰撞后油墨粒子强力地吸附在泡沫上 必须形成三相界面 粒子和气泡之间的液膜必须被取代而形成新的平衡态 球形粒子比圆盘形的粒子更容易吸附 虽然后者可提供更大的吸附表面 相当大的液膜体积必须在有限的接触时间内被吸附取代 如果圆盘形粒子的边缘接触气泡 表面区域的液膜取代概率就很小 106 在接触碰撞和三相界面的最后形成的这段时间里 浮力还没有完全形成 粒子很容易受流动力的作用重新与气泡分离 107 稳定的传送只有平衡态形成时 粒子才能有效吸附到气泡上 并脱离水的流动力作用而在悬浮液中移动 由于流体阻力 粒子向气泡的下游流动并保留在气泡上 水的流动力作用于气泡 粒子结合体上会产生张力 离心荷重和剪切力 一些直径不足10 m的小粒子似乎与气泡并没有真正接触上 无碰撞浮选 所以流动力更容易将它们移动 2 气泡的形成和运动 108 气泡的产生最简单的方式是空气通过有多孔性的物体 可以是穿孔的金属片 纺织品制的席垫或烧结的陶瓷 气泡的大小和悬浮物中混合的空气不受外加动力大小的影响 如流动能量 气泡大小主要取决于悬浮液的表面张力 空气注入开口的大小和注入空气量的大小 另一种产生气泡的方式是应用较好的混合能量来实现 这主要取决于压力的损失和混合器的类型 109 相对速度当气泡在浮力和阻力的作用下上浮时 浮选粒子在水力 惯性力和重力的引导下沿着一定轨道运动 气泡和悬浮液的相对速度决定气泡与杂质颗粒的碰撞概率 如果在没有混合能量应用的条件下 碰撞一定发生在上浮阶段 所以气泡上浮的时间越长 碰撞的概率越高 动态或静态的混合器能够在气泡和粒子间产生很强的相对运动 这时由于空气中注入了能量 可以保证气泡和粒子的良好接触 向表面泡沫层上升的通道也会减小 110 3 5 2典型的操作条件浮选系统通常的操作条件为 浆浓0 8 1 5 温度40 70 当使用脂肪型酸性表面活性剂时 pH值7 9 如使用其他表面活性剂 对水的硬度要求就不是很严格 空气负荷相对于悬浮液总液量通常为300 或更多 一般的浮选系统都能达到1000 除了油墨粒子 浮选的泡沫中还包含纤维和细小组分等有机成分以及填料和涂布颜料等无机材料 这些成分的流失可以通过减少泡沫排放量或使用二段浮选回收一部分来减少 111 减少一段泡沫的排放量只有在不影响浮选白度和洁净度结果的前提下进行 具有很大的局限性 因而通常使用二段浮选 它纯粹是在保持一段浮选质量要求的情况下减少流失的 二段浮选浆浓通常比初段小 浆料中的固体组分也大不相同 所含的纤维量较少而细小组分和填料的量却较大 因而操作参数也要相应的调整 二段浮选的目标是在减少流失的情况下 不改变白度和残余油墨含量等质量要求 而且无机粒子的去除要多于有机粒子 112 3 5 3浮选设备自20世纪90年代以来 浮选槽的革新和改进 槽体的大小 形状 通风系统 空气注入的技术 提供空气的种类 自然或压缩空气 气液的混合方式 静态 动态的混合器 浮选化学的进步 气浮物去除方法 封闭式或敞开式 泡沫去除方式 溢流 真空抽吸 机械装置 完全浮选所需通风单元的数量 二段浮选的作用及地位 多种浮选槽的设计和排列方式等 113 浮选脱墨设备总的发展趋势是 设备类型从浆料的平流卧式型向旋流立式型发展 机体结构从槽体的方箱形向圆柱形发展 槽体从开启式向密闭式发展 气泡形成形式从压缩空气或机械搅拌向文丘里抽气或专用气泡发生器的方向发展 浮渣排除方式从自然溢流或机械刮板式向正压吹风或负压抽吸方向发展 浮选设备的主要作用是去除油墨颗粒 某些种类的胶粘物也能有效地去除 并可控制灰分的去除 114 1 Ahlstrom浮选槽Ahlstrom的浮选槽见图3 43和图3 44 有一个自吸气的动态混合器 从这个圆形开口来的泡沫被溢流除去 可以是几个浮选槽组成一条浮选生产线 115 2 压力式浮选槽Beloit公司的PDM压力式浮选槽 气泡由附属的空气压缩机提供 工作压力为0 1 0 4MPa 图3 45为压力式浮选槽示意图 从原理上 压力浮选机可分为3个区 曝气区 混合区和分离区 116 曝气区是将空气泵入浆料中 使气泡有适当的大小和数量 混合区由一系列扩张区和收缩区组成 使空气泡与油墨粒子碰撞的频率和强度达到最大 同时形成气蚀区 使溶液中的空气成微小气泡逸出 分离区是尽快将油墨和气泡混合物升到浆面 在槽内压力和浆流的作用下 泡沫从堰板上部喷放到旋风分离器 良浆从堰板底部排出 浮选浆料浓度0 8 1 0 由于油墨分离效果好 排渣率低 仅需一段串联浮选 不需要对油墨泡沫进行二段浮选 117 3 HAR浮选槽HAR 高空气通入量 浮选槽如图3 48所示 使空气加入量达到600 1000 原理略 118 3 6洗涤洗涤是一个从悬浮液中去除小于30tm碎片的过滤过程 其目的是除去影响抄造过程和成纸质量的物质 水洗除去的物质包括 填料 涂布颜料 细小组分 小的胶粘物和洗涤脱墨过程中的油墨粒子 溶解的胶状污染物包括 引起COD和阴离子垃圾的无机物和有