蔡　慧　李金苗　沙九龙　张　辉

(南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京,210037)



高浓锥形除渣器中废纸浆特性与浆杂分离阻力间的影响关系

蔡慧李金苗沙九龙张辉*

(南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京,210037)

摘要：占比日益增加的废纸制浆必须配备高浓锥形除渣器,杂质与浆料纤维间的分离阻力是影响其高效净化的重要因素。针对研发出的新型导流式高浓锥形除渣器,首先，研究了旧箱纸板(OCC)浆、旧报纸(ONP)浆、竹浆和玉米秸秆浆的纤维性能以及废纸浆中主要重杂质(如玻璃和金属类杂质)的基本特性；其次,分析了浆料和杂质特性对浆杂分离的影响；最后，建立相关数学模型,分析了流体阻力和阻力系数。结果表明，相对黏度大、打浆度低、浆浓高的浆料分离阻力较大；ONP浆中的浆杂比OCC浆中的更易分离；相同分离条件下,杂质颗粒直径越大,其流体阻力也越大,在分离过程中密度大的杂质所受浆杂分离动力和阻力同步增大；流体阻力Fz和阻力系数CD数学模型分别为和(ρ/ρf-1)。

关键词：废纸浆；高浓锥形除渣器；纸浆特性；杂质特性；分离阻力；阻力系数

目前,我国废纸浆占比逐年提高(2014年已占我国造纸工业原料的65%)[1],但废纸中杂质种类多、含量高,严重影响浆纸的质量和设备寿命,所以在废纸碎浆后必须配备高浓锥形除渣器以去除废纸浆中密度和颗粒较大的杂质[2]。因而研发出能提高工作浓度和除渣效率，且能耗低的高浓锥形除渣器具有十分重要的工程意义和实用价值[3- 4]。新型高效节能高浓锥形除渣器的研究主要从结构和内部浆杂分离阻力影响因素和相关参数2方面进行。

本科研团队发明了一种新型导流式高浓锥形除渣器,其主要技术原理在于首先将重杂颗粒和浆料分布到壳内周边区,以避免传统高浓锥形除渣器内浆杂逆向流动需要克服的高浓(2%～5%)浆层阻力,进而缩短浆杂分离时间、提高分离效率(提高10%～20%)；分离下锥体比传统高浓锥形除渣器短1/3以上,降低了设备的整体高度,从而降低了加料和出浆时所需克服的重力势能[5-7]。

高浓锥形除渣器离心分离过程中杂质与浆料纤维之间的分离(流动)阻力是影响其高效净化的另一重要因素[8-9]。分离阻力与浆料和杂质的特性及分离流态等因素有关[10-11],但针对此方面的研究却鲜有报道,故探讨高浓锥形除渣器中杂质离心分离阻力的影响因素及相关模型显得尤为重要[12-15]。

本研究首先探讨了影响浆杂分离阻力的因素,包括浆料和杂质的相关特性；其次,专门设计、制作了相关实验装置,并选用球形颗粒静态自由沉降所用时间长短来反映高浓锥形除渣器中浆杂相对运动离心分离阻力的大小；最后,建立相关数学模型,分析流体阻力和阻力系数,以便为计算机模型优化设计提供依据。

1浆杂特性对杂质分离阻力的影响

浆杂分离阻力的影响因素主要有：浆料特性(如纤维形态、浆种、浆浓、黏度等)、杂质特性(如种类、密度、比表面积等)及分离流态(动态、静态)。

高浓锥形除渣器中浆杂依靠所受离心力大小进行离心分离,本质上是强化了重力分离过程,属于重力分离的范畴。利用高浓锥形除渣器进行浆杂分离,在旋转场中的纤维和杂质在离心力的作用下都有向周边区域移动的趋势,但因纤维质量轻且受中心排浆管的影响,使得重杂质逐渐向周边区、而纤维向中心区流动,即两者逆向流动,达到分离的效果。离心分离过程和自由沉降过程中杂质颗粒受到的分离阻力关联性很强,都需要克服纤维对颗粒的纠缠力和悬浮液介质的摩擦力(统称为“分离阻力”)而实现浆杂分离[16-17]。在浆杂特性相同的条件下,颗粒自由沉降时所受的分离阻力越大,则离心分离时所受的阻力也越大,故可以通过分析颗粒自由沉降时所受的分离阻力来衡量杂质颗粒离心分离阻力。

1.1实验

1.1.1实验用浆料

我国废纸品主要有旧箱纸板(OCC)和旧报纸(ONP),故本研究的主要浆料为OCC浆和ONP浆。由于废纸浆纤维是二次纤维,为了更好地研究浆料特性对杂质离心分离阻力的影响,实验还选择了2种原生浆(竹浆和玉米秸秆浆)来作为对比。

图1　不同浆浓下4种浆料黏度的变化

1.1.2主要实验器材

Morfi Comapct纤维形态分析仪；打浆度测定仪；RST-SST软固体测试仪；定制长1 m、直径40 mm、壁厚2 mm、有刻度和底座的有机玻璃长管若干根。

1.1.3研究方法

(1)模型物确定废纸浆中杂质的种类较多、形状极其不规则、直径变化大,而球体颗粒的密度不随直径的变化而改变,且废纸浆的主要杂质为金属和玻璃。为了简化实验,选用较常见的玻璃球和钢珠作为杂质颗粒模型物。

(2)分离阻力测定通过控制球体颗粒初始速度为0和在特制有机玻璃管中浆料悬浮液高度1 m不变,记录玻璃球和钢珠颗粒从浆液顶部自由沉降至管底部所用的时间来反映浆料和杂质的动态分离阻力大小,即本研究用杂质颗粒自由沉降所用时间长短来定性反映高浓锥形除渣器分离阻力的大小。

1.2结果与讨论

在杂质颗粒与浆料纤维分离的相对运动过程中,其分离阻力主要是纤维对颗粒的纠缠力和浆料悬浮液介质的摩擦力。纠缠力主要与纤维长度有关；摩擦力取决于浆浓、黏度等流体特性。

1.2.1浆料特性对浆杂分离阻力的影响

(1)浆料纤维形态4种浆料的纤维形态如表1所示。由表1可知,竹浆纤维无论是纤维数均长度还是纤维质均长度都最长,OCC浆和ONP浆的纤维长度相当。纤维宽度对杂质分离阻力影响不明显[18]。

表1　4种浆料纤维尺寸

图2　2%浆浓下4种浆料黏度随剪切速率的变化曲线

图3　钢珠在不同浆料中分离时间随浆浓的变化曲线

(2)浆料黏度不同浆浓下,4种浆料的黏度随剪切速率的变化曲线如图1所示。

为了更直观地比较4种浆料黏度的大小,将浆浓2%的4种浆料黏度随剪切速率的变化曲线归并,得到如图2所示的结果。图2表明,OCC浆和竹浆的黏度较大。

图4　不同废纸浆主要杂质的差异

(3)浆料打浆度OCC浆、ONP浆、竹浆、玉米秸秆浆的打浆度分别为24.1、48.2、15.5、48.0°SR。由此可见,竹浆打浆度最低,ONP浆打浆度比OCC浆打浆度高得多；打浆度低的浆料纤维较长,不利于杂质颗粒分离[19-21]。

综上所述,将实验获得的分离时间数据整理并绘制成横坐标为浆浓、纵坐标为分离时间的折线图。钢珠颗粒在不同浆料中分离时间随浆浓的变化曲线如图3所示。

由图3可知,钢珠在相对黏度较大、纤维较长、打浆度较低的竹浆中分离时间最长；在ONP浆中比在OCC浆中更易分离,且浆浓越高，阻力相差越大。

1.2.2杂质特性对浆杂分离阻力的影响

OCC浆和ONP浆中主要杂质的形态如图4所示。

(1)杂质种类与占比OCC浆浆渣中主要杂质为箱板结(约30%)、石子(约25%)、玻璃(约15%)、封箱钉(约5%)及其他杂质(包括塑料片、铁皮、泡沫等，约25%)。ONP浆浆渣中含有玻璃(约50%)、订书针(约15%)、石子(约15%)及其他杂质(包括塑料片、铁皮、泡沫等，约20%)。

(2)杂质密度与球体直径由于废纸浆中重杂质颗粒种类较多且形状极其不规则,根据国内外研究方法及计算的模型研究范例[22],本实验以球形颗粒作为研究模型,即将杂质颗粒视为球体,求出球体直径,进而方便数据处理和为CFD软件模拟提供参考。表2和表3分别为OCC浆和ONP浆的杂质特性。

钢珠和玻璃球在OCC浆和ONP浆中分离时间的变化如图5所示。

由图5可知,玻璃球与钢珠在OCC浆和ONP浆中分离时间的变化趋势相近,但在同种浆料中玻璃球的分离时间却远大于钢珠,这说明密度大的杂质更容易实现浆杂分离。

表2　OCC浆的杂质特性

表3　ONP浆的杂质特性

图5　钢珠和玻璃球在OCC浆和ONP浆中的分离曲线

(3)杂质颗粒模型自由沉降分离时间实验玻璃球和钢珠在4种浆料不同浓度下的分离时间如表4所示。

表4　玻璃球和钢珠在4种浆料不同浓度下的分离时间

注玻璃球和钢珠在清水中的分离时间分别为1.76和1.19 s。

观察表4可知,浆料种类不同,杂质分离时间不同；浆浓增大,杂质分离时间延长；杂质种类和特性不同,杂质分离时间也不同。

2浆杂分离数学模型的建立与分析

2.1杂质颗粒受力分析

如图6所示,球体颗粒在浆料中自由沉降主要受3个力的作用,分别是向下的重力(G)、向上的浮力(Ff)和流体阻力(Fz,与重力相反,或称黏滞力)；流体阻力包括纤维对颗粒的纠缠力和悬浮液的摩擦力。

图6球体颗粒受力示意图

球形颗粒自由沉降开始时,颗粒的加速度为

g

；随着速度增大,所受阻力不断增大,然后做加速度减小的变加速运动；最后,当三力平衡时,沉降速度达到最大值,开始做匀速运动。为了方便寻找流体阻力和阻力系数的变化规律,将这一过程简化为加速度恒定的匀加速运动,用这一过程的平均阻力和阻力系数来定量描述流体阻力和阻力系数的变化规律。

球形颗粒的自由沉降以重力的方向为正方向,根据牛顿第二定律(加速度定律)可得：

∑F=G-Ff-Fz=ma

(1)

其中,直径为d、颗粒密度为ρ的球形颗粒在密度为ρf的流体中的重力、浮力分别为：

(2)

(3)

(4)

将式(2)～式(4)代入式(1)得到流体阻力Fz：

(5)

式中,G为颗粒重力,ρf为浆料密度,ρ为杂质颗粒密度,S为颗粒位移。

2.2求流体阻力Fz

颗粒在流体中作相对运动时受到的阻力大小与颗粒直径、颗粒密度、相对速度、流体性质等因素有关,可表示为：

Fz=f(d,ρ,u,μ)

(6)

由式(1)可求出平均阻力为：

(7)

分析可知,球形颗粒初始速度为0,接着做加速度减小的变加速运动,之后当流体阻力、浮力以及重力平衡时,加速度为0,最后做匀速运动。当加速度a=0时,根据式(7)可得：

(8)

因为颗粒密度ρ肯定大于流体密度ρf,所以由式(8)可知，相同分离条件下,随杂质颗粒直径的变大,流体阻力也相应增大；当沉降距离足够长、杂质颗粒作匀速运动时,分离阻力为最大值,且接近为定值；杂质颗粒密度ρ越大,分离阻力越大。

2.3求阻力系数CD

当颗粒在黏性流体中运动时,流体作用于球体上的阻力由压差阻力和摩擦阻力组成。同样,对于阻力系数,一方面可以从流体黏滞、摩擦角度,通过流体阻力公式来求解；另一方面从流态出发,分析出阻力系数是颗粒与流体相对运动时的雷诺数的函数。

(1)用公式求解阻力系数颗粒受到的流体阻力与阻力系数之间的关系式为：

(9)

式中,CD为阻力系数；A为颗粒横截面积,m2；ρf为流体密度,g/cm3；u为颗粒相对流体的速度,m/s；加速度为0时,将式(8)带入式(9)可得：

(10)

式(10)表明,阻力系数与d/u2成正比。

(2)阻力系数与雷诺数的关系式根据颗粒雷诺数(Rep)的大小,大致可分成层流区、过渡区和湍流区,并可按下式近似计算其阻力系数。

层流区(Stokes区),10-4

(11)

过渡区(Allen区),1

(12)

湍流区,500

CD=0.44

(13)

通常，可采用整个区域的近似公式：

(14)

2.4结果与讨论

2.4.1数据处理

将表4玻璃球和钢珠颗粒在浆料中沉降所用分离时间代入式(5)(其中,d玻璃=1.62 cm、ρ玻璃=2.7 g/cm3,d钢珠=0.623 cm、ρ钢珠=7.93 g/cm3；5%浆浓的浆料密度为1.0007 g/cm3,故ρf≈1 g/cm3；S=1 m)和式(9)中,能够求出流体阻力(见表5)。

表5　颗粒所受的流体阻力

注玻璃球和钢珠在清水中的流体阻力分别为34.152和7.499 mN。

在颗粒位移为1 m、做匀加速运动时间t已知的条件下,先求出速度,并将其代入式(10),可求出平均阻力系数(见表6)。

2.4.2结果分析

(2)相对而言,玻璃球受到的流体阻力(超过30mN)远远大于钢珠受到的流体阻力(7～8mN)。

(3)相同分离条件下,颗粒在不同流体中的阻力系数从大到小的顺序是竹浆、OCC浆、玉米秸秆浆、ONP浆、清水,如钢珠在4种浆料(竹浆、OCC浆、玉米秸秆浆、ONP浆)1%浆浓下的阻力系数依次是2.763、1.843、1.132、0.904。

表6　颗粒所受的阻力系数

注玻璃球和钢珠在清水中的阻力系数分别为1.022和0.685。

3结论

3.1通常OCC浆浆渣中主要杂质为箱板结(球体直径约0.273 cm,约30%)、石子(大石子直径0.358 cm、小石子直径0.243 cm,约25%)、玻璃(直径0.306 cm,约15%)、封箱钉(约5%)及其他杂质(包括塑料片、铁皮、泡沫等,约25%)；ONP浆浆渣中含有玻璃(大玻璃直径0.306 cm、中玻璃直径0.243 cm、小玻璃直径0.201 cm,约50%)、订书针(约15%)、石子(直径0.243 cm，约15%)及其他杂质(包括塑料片、铁皮、泡沫等,约20%)。

3.2杂质颗粒在相对黏度较大、纤维较长、打浆度较低的浆料中分离阻力较大。

3.3OCC浆体系浆杂分离阻力比ONP浆体系的大,且浆浓越高,分离阻力相差越大。因而，在设计高浓锥形除渣器时,用于处理OCC浆的高浓锥形除渣器的筒锥体直径应比处理ONP浆的小；反之,由于ONP浆分离阻力较小,可采用提高进浆浓度或降低进浆压力等方法达到增产和节能的目的。

3.4相同分离条件下,随杂质颗粒直径的变大,流体阻力也相应增大；在分离过程中密度大的杂质所受浆杂分离动力和阻力同步增大,但却更容易实现浆杂分离；当分离距离足够长、杂质颗粒作匀速运动时,分离阻力为最大值,且接近定值。

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(责任编辑：关颖)

Relationship between Characteristics of Recycled Pulp and Separating Resistance of Impurity in a High Consistency Conical Cleaner

CAI HuiLI Jin-miaoSHA Jiu-longZHANG Hui*

(JiangsuProvincialKeyLabofPulpandPaperScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing,JiangsuProvince, 210037) (*E-mail: zhnj@163.com)

Abstract：High consistency conical cleaner is necessary for increasing production of recycled pulp, and separating resistance between impurities and fibers is an important factor for its efficient purification. Based on the invention patent of the new flow-oriented high consistency conical cleaner, firstly, the basic characteristics of OCC pulp, ONP pulp, bamboo pulp, corn straw pulp and two main types of impurities were studied; secondly, the impacts of the characteristics of the pulps and impurities on separating resistance were discussed; the relevant mathematical models to analysis fluid resistance and resistance coefficient were established. It was found that the separating resistance was larger in pulp suspensions with high viscosity, low beating degree and high consistency; the impurities of ONP pulp were easier to be separated than those of OCC pulp; under the same separation conditions, the bigger the diameter of the impurity, the greater the fluid resistance, and both of separating power and resistance increased with the increase of the density of impurities in the separation process; and mathematical model of fluid resistance Fz and drag coefficient CD could be expressed respectively as the formulas:

Keywords：waste paper pulp； high consistency conical cleaner； pulp characteristics； impurity characteristics； separation drag coefficient

中图分类号：TS732

文献标识码：A

文章编号：1000- 6842(2016)01- 0020- 07

作者简介:蔡慧,女,1992年生；在读硕士研究生；主要从事制浆造纸节能减排技术与装备的研究。*通信联系人:张辉,E-mail:zhnj@163.com。

收稿日期：2015- 08- 03

资助项目：南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室开放基金(201522)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。