變螺徑式轉(zhuǎn)子用于OCC碎漿的中試研究

萬金泉 楊 靜 馬邕文 王 艷 郭文杰

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640;2.華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州，510006)

變螺徑式轉(zhuǎn)子用于OCC碎漿的中試研究

萬金泉1楊 靜1馬邕文1王 艷2郭文杰2

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640;2.華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州，510006)

對(duì)新型變螺徑式、ZQS9型以及伏克斯型3種轉(zhuǎn)子進(jìn)行OCC碎漿對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，新型變螺徑式轉(zhuǎn)子 (簡(jiǎn)稱新型轉(zhuǎn)子)比ZQS9型轉(zhuǎn)子生產(chǎn)能力提高了20%，碎漿單位質(zhì)量能耗降低了12.8%;并且前者對(duì)纖維的分絲帚化作用更為明顯，纖維保水值增加了5.4%，成紙抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)分別提高了4.8%和5.8%。在紙廠采用新型轉(zhuǎn)子和伏克斯轉(zhuǎn)子進(jìn)行中試對(duì)比，結(jié)果表明，新型轉(zhuǎn)子可以使碎漿能耗降低22%，成紙強(qiáng)度最大可提高40%左右，纖維保水值和比表面積分別提高了6.0%和6.5%，而結(jié)晶度和孔徑的變化則較小。

變螺徑;轉(zhuǎn)子;OCC;成紙強(qiáng)度

隨著我國造紙工業(yè)的蓬勃發(fā)展，再生纖維已經(jīng)成為造紙工業(yè)中極其重要的纖維原料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年造紙工業(yè)纖維原料中廢紙漿的用量為4439萬t，2009年增加至4939萬t，占纖維原料總量的62%，并且該比例還有繼續(xù)上升的趨勢(shì)［1］。但在再生纖維回用過程中，其成紙的強(qiáng)度性能、光學(xué)性能等都有不同程度的降低。因此，如何延緩再生纖維的衰變以提高其在回用過程中的利用率和利用效果是造紙工作者目前面臨的一項(xiàng)艱巨任務(wù)［2-5］。

碎漿過程對(duì)再生纖維的回收利用至關(guān)重要。轉(zhuǎn)子是碎漿機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)直接影響到碎漿機(jī)的能耗和碎漿效果。水力碎漿可根據(jù)漿料的濃度分為低濃和高濃兩種，近些年來又發(fā)展了中濃碎漿［6］。與低濃碎漿相比，中高濃水力碎漿具有對(duì)纖維剪切損傷少、碎解效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此是廢紙碎漿的發(fā)展方向［7］。但漿料在濃度超過10%時(shí)流動(dòng)性變差，漿料不能充分循環(huán)甚至產(chǎn)生沿轉(zhuǎn)芯“打旋”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致漿料碎解效率低下，這也是高濃水力碎漿機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

筆者通過改進(jìn)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)提出了一種變螺徑式高濃水力碎漿轉(zhuǎn)子 (新型轉(zhuǎn)子)的設(shè)計(jì)方案，以克服現(xiàn)有碎漿機(jī)轉(zhuǎn)子在高濃度條件下碎漿的缺點(diǎn)，并研究了新型轉(zhuǎn)子在碎漿能耗、碎漿效果以及纖維性能方面的優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

國產(chǎn)OCC紙漿。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和檢測(cè)

1.2.1 細(xì)胞壁孔徑及BET比表面積的測(cè)定方法

采用孔徑分布測(cè)定儀ASAP2010M(USA，Micromeritics)對(duì)纖維孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)過程中采用高純N2作為吸附質(zhì)，被測(cè)樣品裝在樣品分析管中，于77 K的液氮冷阱環(huán)境下用靜態(tài)容量法對(duì)高純N2進(jìn)行吸附脫附測(cè)定。根據(jù)不同相對(duì)壓力下N2吸附量的不同，可以得到吸附脫附等溫線，再進(jìn)一步根據(jù)BET方程、BJH模型、H-K模型、DFT、T-Plot等作圖和計(jì)算，可以求出多孔材料的BET比表面積、大中孔和微孔大小、微孔比表面積、微孔孔容、總孔容、平均孔徑等表面結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.2.2 纖維長度及紙張物理性能測(cè)試

纖維長度用FS200纖維長度測(cè)定儀測(cè)定;將紙樣在恒溫恒濕室中放置24 h平衡水分，再按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度性能測(cè)試。

1.2.3 保水值的測(cè)定

纖維保水值 (WRV)采用離心法測(cè)定。稱取絕干質(zhì)量相當(dāng)于1.5 g的漿料或紙片，疏解后在3000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心處理15 min。稱取濕漿料的質(zhì)量和烘干后的絕干質(zhì)量，兩者之差與漿料絕干質(zhì)量的比值即為WRV值。每個(gè)漿樣同時(shí)測(cè)定2份，以算術(shù)平均值表示結(jié)果。

式中:m1—離心后的濕漿質(zhì)量，g;

m2—絕干漿質(zhì)量，g。

1.2.4 X射線衍射法測(cè)定結(jié)晶度

采用CuKa衍射，管壓40 kV，管流30 mA，掃描二倍衍射角2θ在5°～60°范圍內(nèi)變動(dòng)。將紙樣直接用膠水粘在測(cè)試夾持器上，進(jìn)行衍射測(cè)試。

式中:I020—結(jié)晶區(qū)的衍射強(qiáng)度 (2θ≈22.5°);

Iam—無定型區(qū)的衍射強(qiáng)度 (2θ≈18.0°)。

2 結(jié)果與討論

2.1 新型轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)方案

中高濃碎漿機(jī)在碎漿效果和碎漿能耗方面的優(yōu)勢(shì)使其成為廢紙制漿的主流設(shè)備，但其漿料循環(huán)狀況較差直接影響到碎漿效率和生產(chǎn)能力［8］。為改善漿料在較高濃度下的循環(huán)狀況，一般的方法是產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的高強(qiáng)剪切力場(chǎng)，使?jié){料在高強(qiáng)剪切力場(chǎng)的作用下受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)而達(dá)到湍流狀態(tài)。在碎漿機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子的作用正是在漿槽內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)高強(qiáng)剪切力場(chǎng)，使?jié){料產(chǎn)生湍流和強(qiáng)制渦流循環(huán)，同時(shí)使?jié){料各部分受力均勻，以免成漿不勻。因此，中高濃碎漿轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于:①通過轉(zhuǎn)子將能量均勻地傳遞給漿料;②在漿槽內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)剪切力場(chǎng)，強(qiáng)制漿料產(chǎn)生湍動(dòng)和渦流循環(huán)，以達(dá)到碎漿目的。

根據(jù)轉(zhuǎn)子在碎漿機(jī)中的作用原理可以通過改進(jìn)其結(jié)構(gòu)達(dá)到在較高濃度下碎漿的目的。首先為了使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流和渦流循環(huán)，將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為螺旋面的形式，因螺旋轉(zhuǎn)子與廢紙漿的接觸面大，可以產(chǎn)生高強(qiáng)剪切力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)廢紙漿的循環(huán)運(yùn)動(dòng);另一方面還需保證漿料和轉(zhuǎn)子各部件受力均勻，以免產(chǎn)生轉(zhuǎn)子振動(dòng)和成漿不均勻的現(xiàn)象，為此將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成均勻分布的三螺旋線形式。同時(shí)還要控制好螺旋葉片的寬度，葉片過窄則傳遞給漿料的能量不足，沿槽壁部分的漿料靜止不動(dòng)，而轉(zhuǎn)子附近的漿料隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)形成“轉(zhuǎn)柱”現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)槽體中的漿料受力不均勻;葉片過寬雖可保證其碎漿效果，但會(huì)增加動(dòng)力消耗。

另外，還要考慮到漿槽底部漿料流動(dòng)性較差的問題，因此將螺旋葉片寬度設(shè)計(jì)為沿轉(zhuǎn)芯向槽底均勻增加的形式，使葉輪與漿料的接觸面積逐漸增大，作用力逐漸增強(qiáng)，以提高槽底漿料的流動(dòng)性。并且在轉(zhuǎn)子底部設(shè)計(jì)了帶齒的甩漿葉片，一方面可在碎漿初期借助葉片的機(jī)械力作用加速將較大的片狀廢紙撕成碎片，另一方面葉片采用環(huán)形結(jié)構(gòu)可以將循環(huán)運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子底部的漿料甩到槽壁，更好地實(shí)現(xiàn)槽內(nèi)漿料的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

2.2 新型轉(zhuǎn)子和實(shí)驗(yàn)室ZQS9型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)對(duì)比

在本設(shè)計(jì)中，利用Pro/E軟件和Mechanica模塊的有限元分析確定轉(zhuǎn)子的螺距為116.732 mm，葉片厚度為3.254 mm。將優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子加工成實(shí)體，并與實(shí)驗(yàn)室漿槽組裝成水力碎漿機(jī)。新型轉(zhuǎn)子的其他主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 新型碎漿機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

圖1所示為設(shè)計(jì)的新型中高濃水力碎漿機(jī)轉(zhuǎn)子。新型轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)芯、螺旋葉片、齒形葉片3部分，3個(gè)螺旋葉片采用等螺距、變螺徑結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)芯分為兩部分，上部為圓柱形;下部為圓錐形。轉(zhuǎn)芯上部為轉(zhuǎn)子的主要構(gòu)件，3個(gè)螺旋葉片均勻分布并環(huán)繞于圓柱形轉(zhuǎn)芯上。底盤上連接著3個(gè)帶有齒紋的環(huán)形葉片，可將經(jīng)過潤脹的廢紙撕成碎片以加速廢紙破碎，同時(shí)環(huán)形結(jié)構(gòu)還有助于將底部漿料推向槽壁，獲得良好的機(jī)內(nèi)循環(huán)效果。

圖1 螺旋轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2所示是新型轉(zhuǎn)子工作時(shí)的碎漿情況。從圖2可以看到，周邊廢紙漿料向轉(zhuǎn)子中心靠攏，廢紙漿料被循環(huán)流較快吸入，碎解較快且循環(huán)平穩(wěn)。

圖2 新型轉(zhuǎn)子工作時(shí)漿料循環(huán)混合圖

圖3所示為實(shí)驗(yàn)室ZQS9型轉(zhuǎn)子的實(shí)拍照片以及轉(zhuǎn)子及葉片的尺寸。ZQS9型此轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，底盤上裝有4個(gè)梯形的葉片，其形狀尺寸分為圖3所示的a、b兩種。

2.3 新型轉(zhuǎn)子碎漿機(jī)在實(shí)驗(yàn)室的性能研究

2.3.1 新型轉(zhuǎn)子碎漿的經(jīng)濟(jì)性能

將新型轉(zhuǎn)子和實(shí)驗(yàn)室ZQS9型轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行碎漿實(shí)驗(yàn)，探討新型轉(zhuǎn)子的碎漿能力和能量消耗情況，結(jié)果見表2。

表2 新型轉(zhuǎn)子與ZQS9型轉(zhuǎn)子經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)比較

由表2可知，新型轉(zhuǎn)子生產(chǎn)能力提高了20%。碎漿濃度從10%提高到12%，實(shí)現(xiàn)了濃度在12%以上的高濃碎漿。雖然新型轉(zhuǎn)子的電機(jī)輸出功率較高，但單位質(zhì)量漿料耗電量卻節(jié)省了12.8%。

2.3.2 新轉(zhuǎn)子碎漿效果

采用新型轉(zhuǎn)子和ZQS9型轉(zhuǎn)子分別碎解OCC，研究兩者對(duì)纖維性能的影響以比較其碎漿效果，對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 新型轉(zhuǎn)子和ZQS9型轉(zhuǎn)子碎漿效果的對(duì)比

由表3可知，經(jīng)新型轉(zhuǎn)子碎解的OCC漿，細(xì)小纖維含量增加了5.5%，這主要是因?yàn)橄鄬?duì)于實(shí)驗(yàn)室ZQS9型轉(zhuǎn)子來說，新型轉(zhuǎn)子的碎漿濃度較高，纖維間的相互摩擦和揉搓作用增強(qiáng)以致產(chǎn)生了較多的細(xì)小纖維;纖維質(zhì)均長度下降了2.0%，可見轉(zhuǎn)子形狀的改變?cè)鰪?qiáng)了碎漿機(jī)對(duì)纖維的剪切作用，但這種作用力極其有限，碎漿過程對(duì)纖維最主要的作用力仍是纖維間的相互摩擦和揉搓作用。新型轉(zhuǎn)子使得纖維保水值提高了5.4%，成紙抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)分別提高了4.8%和5.8%。強(qiáng)度性能的提高主要是因?yàn)槔w維表面細(xì)纖維化增強(qiáng)了纖維之間的結(jié)合力。

圖3 實(shí)驗(yàn)室ZQS9型轉(zhuǎn)子及葉片尺寸

利用低溫氮吸附法測(cè)試兩種轉(zhuǎn)子碎漿后纖維的平均孔徑和BET比表面積，表4示出了不同轉(zhuǎn)子碎漿后纖維平均孔徑和BET比表面積的變化情況。

從表4可以看出，采用新型轉(zhuǎn)子碎解的OCC漿，纖維平均孔徑變化較小，僅下降了4.7%，說明碎漿過程對(duì)再生纖維的平均孔徑影響很小。但累積孔容發(fā)生了較大變化，新型轉(zhuǎn)子使纖維的累積孔容提高了14.1%，這主要是由于孔徑分布的變化所造成的。并且BET比表面積也有明顯增大，提高了17.6%。這主要是因?yàn)樾滦娃D(zhuǎn)子碎漿后，纖維表面細(xì)纖維化程度提高，而其表面細(xì)纖維的直徑很小，故比表面積增大。

表4 不同轉(zhuǎn)子碎漿后纖維平均孔徑和BET比表面積

從表4數(shù)據(jù)分析可知，無論是從碎漿的生產(chǎn)能力和碎漿能耗等經(jīng)濟(jì)性能，還是從碎漿對(duì)纖維性能的提高效果上來說，新型轉(zhuǎn)子都要優(yōu)于實(shí)驗(yàn)室的ZQS9型轉(zhuǎn)子。

2.4 新型轉(zhuǎn)子碎漿機(jī)在紙廠的中試生產(chǎn)試驗(yàn)

2.4.1 新型轉(zhuǎn)子碎漿機(jī)的碎漿性能

為了進(jìn)一步驗(yàn)證新型轉(zhuǎn)子在實(shí)際生產(chǎn)中的效果，筆者在廣東省某紙廠進(jìn)行了中試生產(chǎn)試驗(yàn)。該公司25 m3D型碎漿機(jī)轉(zhuǎn)子原為伏克斯轉(zhuǎn)子，主要處理國產(chǎn)OCC。兩臺(tái)碎漿機(jī)原來每天連續(xù)碎解OCC約220～240 t，用電量為3420 kWh?，F(xiàn)更換上新型轉(zhuǎn)子進(jìn)行中試試驗(yàn)，每天工作時(shí)間由18 h減少為14 h，用電量由3420 kWh降為2660 kWh，單位質(zhì)量絕干漿耗電量下降了22%。表5和表6分別列出了紙廠伏克斯轉(zhuǎn)子的技術(shù)參數(shù)及兩種轉(zhuǎn)子碎漿效果的比較。

表5 紙廠伏克斯轉(zhuǎn)子水力碎漿機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

表6 新型轉(zhuǎn)子與伏克斯轉(zhuǎn)子碎漿效果比較

表7 新型轉(zhuǎn)子與伏克斯轉(zhuǎn)子碎漿后成紙強(qiáng)度性能比較

2.4.2 新型轉(zhuǎn)子對(duì)紙張強(qiáng)度性能的影響

在中試生產(chǎn)中分別采用新型轉(zhuǎn)子、伏克斯轉(zhuǎn)子處理OCC，以研究新型轉(zhuǎn)子在提高再生纖維成紙強(qiáng)度方面的效果。表7為OCC經(jīng)兩種不同轉(zhuǎn)子碎漿處理后成紙強(qiáng)度性能的變化情況。

從表7可以看出，與伏克斯轉(zhuǎn)子相比，采用新型轉(zhuǎn)子后，紙張的緊度沒有發(fā)生變化，而耐破指數(shù)上升了4.8%;紙張的強(qiáng)度都有不同程度的提高，紙張的縱橫向抗張指數(shù)分別提高了41.2%和6.0%;縱橫向環(huán)壓指數(shù)分別提高了12.5%和11.8%;縱橫向撕裂指數(shù)分別提高了44.3%和20.0%。中試結(jié)果表明，新型轉(zhuǎn)子對(duì)紙張的強(qiáng)度性能提高較多，與實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果一致。

2.4.3 新型轉(zhuǎn)子對(duì)纖維性能的影響

表8為OCC經(jīng)過不同轉(zhuǎn)子碎漿處理后，其纖維保水值、結(jié)晶度以及細(xì)胞壁孔隙參數(shù)的變化情況。從表8可以看出，與伏克斯轉(zhuǎn)子相比，采用新型轉(zhuǎn)子后，纖維素的結(jié)晶度和平均孔徑變化不大，而纖維保水值和比表面積則分別提高了6.0%和6.5%。原因可能是相對(duì)于打漿工序來說，碎漿仍然是一種較溫和的機(jī)械處理方式，還不足以改變纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而結(jié)晶度沒有變化。新型轉(zhuǎn)子加強(qiáng)了對(duì)纖維的分絲帚化作用，因此纖維保水值提高了。

表8 不同轉(zhuǎn)子處理后的纖維性能

由實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和紙廠中試結(jié)果可知，與ZQS9型轉(zhuǎn)子以及紙廠的伏克斯轉(zhuǎn)子相比，采用新型轉(zhuǎn)子后，不僅碎漿能耗降低了，生產(chǎn)能力提高，而且成紙強(qiáng)度也有所改善。

3 結(jié)論

3.1 新型變螺徑式轉(zhuǎn)子 (新型轉(zhuǎn)子)同實(shí)驗(yàn)室ZQS9型轉(zhuǎn)子相比，生產(chǎn)能力提高了20%，碎漿濃度從10%提高到12%，碎漿單位質(zhì)量能耗降低了12.8%。采用新型轉(zhuǎn)子處理OCC，成紙強(qiáng)度性能有明顯提高，細(xì)小纖維含量增加了5.5%，纖維質(zhì)均長度下降了2.0%，纖維保水值提高了5.4%，成紙抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)分別提高了4.8%和5.8%，纖維累積孔容和BET比表面積分別提高了14.1%和17.6%。

3.2 將新型轉(zhuǎn)子與紙廠伏克斯轉(zhuǎn)子的碎漿性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，與紙廠伏克斯轉(zhuǎn)子相比，新型轉(zhuǎn)子碎漿能耗降低了22%，并且成紙強(qiáng)度性能明顯提高。尤其是紙張的縱向抗張指數(shù)和橫向撕裂指數(shù)變化最為明顯，分別提高了41.2%和44.3%，纖維保水值和比表面積分別提高了6.0%、6.5%，而纖維結(jié)晶度和平均孔徑變化不大。

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The Pilot Application of Variable Screw Diameter Rotor in OCC Pulping

WAN Jin-quan1YANG Jing1，*MA Yong-wen1WANG Yan2GUO Wen-jie2
(1．State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640;2．College of Environmental Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510006)

In this paper，three rotors，a new rotor with variable diameter，ZQS9rotor and Vokes rotor，were compared in OCC pulping experiments．The laboratory results showed that production and energy consumption were improved by 20．0%and 12．8%respectively for the new rotor．Further，both fibrillation of the fibers and paper properties were developed greatly，water retention value(WRV)of the pulp，tensile index and tear index of the paper increased 5．4%，4．8%and 5．8%respectively．The pilot-scale OCC pulping results showed that compared with Vokes rotor，the new rotor could decrease energy consumption by 22．2%，paper strength increase by 40．0%，both fiber swelling capability and surface area increase about 6．0% ．However，no significant changes of crystallinity and fiber pore size were observed．

variable screw diameter;pulper rotor;OCC;paper strength

TS734+.1

B

0254-508X(2011)05-0030-05

萬金泉先生，教授;主要研究方向:制漿造紙污染控制技術(shù)、二次纖維的高效循環(huán)利用。

(*E-mail:yangjing455@126．com)

2010-01-03(修改稿)

本課題由以下項(xiàng)目提供資金支持:國家863項(xiàng)目 (2007AA03Z433);廣東省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目 (2008A030202008);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008B030302035)。

(責(zé)任編輯:趙旸宇)