蔡　慧　李金苗　沙九龍　張　輝

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,江蘇南京,210037)

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高濃錐形除渣器中廢紙漿特性與漿雜分離阻力間的影響關(guān)系

蔡慧李金苗沙九龍張輝*

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室,江蘇南京,210037)

摘要：占比日益增加的廢紙制漿必須配備高濃錐形除渣器,雜質(zhì)與漿料纖維間的分離阻力是影響其高效凈化的重要因素。針對研發(fā)出的新型導(dǎo)流式高濃錐形除渣器,首先，研究了舊箱紙板(OCC)漿、舊報紙(ONP)漿、竹漿和玉米秸稈漿的纖維性能以及廢紙漿中主要重雜質(zhì)(如玻璃和金屬類雜質(zhì))的基本特性；其次,分析了漿料和雜質(zhì)特性對漿雜分離的影響；最后，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型,分析了流體阻力和阻力系數(shù)。結(jié)果表明，相對黏度大、打漿度低、漿濃高的漿料分離阻力較大；ONP漿中的漿雜比OCC漿中的更易分離；相同分離條件下,雜質(zhì)顆粒直徑越大,其流體阻力也越大,在分離過程中密度大的雜質(zhì)所受漿雜分離動力和阻力同步增大；流體阻力Fz和阻力系數(shù)CD數(shù)學(xué)模型分別為和(ρ/ρf-1)。

關(guān)鍵詞：廢紙漿；高濃錐形除渣器；紙漿特性；雜質(zhì)特性；分離阻力；阻力系數(shù)

目前,我國廢紙漿占比逐年提高(2014年已占我國造紙工業(yè)原料的65%)[1],但廢紙中雜質(zhì)種類多、含量高,嚴重影響漿紙的質(zhì)量和設(shè)備壽命,所以在廢紙碎漿后必須配備高濃錐形除渣器以去除廢紙漿中密度和顆粒較大的雜質(zhì)[2]。因而研發(fā)出能提高工作濃度和除渣效率，且能耗低的高濃錐形除渣器具有十分重要的工程意義和實用價值[3- 4]。新型高效節(jié)能高濃錐形除渣器的研究主要從結(jié)構(gòu)和內(nèi)部漿雜分離阻力影響因素和相關(guān)參數(shù)2方面進行。

本科研團隊發(fā)明了一種新型導(dǎo)流式高濃錐形除渣器,其主要技術(shù)原理在于首先將重雜顆粒和漿料分布到殼內(nèi)周邊區(qū),以避免傳統(tǒng)高濃錐形除渣器內(nèi)漿雜逆向流動需要克服的高濃(2%～5%)漿層阻力,進而縮短漿雜分離時間、提高分離效率(提高10%～20%)；分離下錐體比傳統(tǒng)高濃錐形除渣器短1/3以上,降低了設(shè)備的整體高度,從而降低了加料和出漿時所需克服的重力勢能[5-7]。

高濃錐形除渣器離心分離過程中雜質(zhì)與漿料纖維之間的分離(流動)阻力是影響其高效凈化的另一重要因素[8-9]。分離阻力與漿料和雜質(zhì)的特性及分離流態(tài)等因素有關(guān)[10-11],但針對此方面的研究卻鮮有報道,故探討高濃錐形除渣器中雜質(zhì)離心分離阻力的影響因素及相關(guān)模型顯得尤為重要[12-15]。

本研究首先探討了影響漿雜分離阻力的因素,包括漿料和雜質(zhì)的相關(guān)特性；其次,專門設(shè)計、制作了相關(guān)實驗裝置,并選用球形顆粒靜態(tài)自由沉降所用時間長短來反映高濃錐形除渣器中漿雜相對運動離心分離阻力的大小；最后,建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型,分析流體阻力和阻力系數(shù),以便為計算機模型優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1漿雜特性對雜質(zhì)分離阻力的影響

漿雜分離阻力的影響因素主要有：漿料特性(如纖維形態(tài)、漿種、漿濃、黏度等)、雜質(zhì)特性(如種類、密度、比表面積等)及分離流態(tài)(動態(tài)、靜態(tài))。

高濃錐形除渣器中漿雜依靠所受離心力大小進行離心分離,本質(zhì)上是強化了重力分離過程,屬于重力分離的范疇。利用高濃錐形除渣器進行漿雜分離,在旋轉(zhuǎn)場中的纖維和雜質(zhì)在離心力的作用下都有向周邊區(qū)域移動的趨勢,但因纖維質(zhì)量輕且受中心排漿管的影響,使得重雜質(zhì)逐漸向周邊區(qū)、而纖維向中心區(qū)流動,即兩者逆向流動,達到分離的效果。離心分離過程和自由沉降過程中雜質(zhì)顆粒受到的分離阻力關(guān)聯(lián)性很強,都需要克服纖維對顆粒的糾纏力和懸浮液介質(zhì)的摩擦力(統(tǒng)稱為“分離阻力”)而實現(xiàn)漿雜分離[16-17]。在漿雜特性相同的條件下,顆粒自由沉降時所受的分離阻力越大,則離心分離時所受的阻力也越大,故可以通過分析顆粒自由沉降時所受的分離阻力來衡量雜質(zhì)顆粒離心分離阻力。

1.1實驗

1.1.1實驗用漿料

我國廢紙品主要有舊箱紙板(OCC)和舊報紙(ONP),故本研究的主要漿料為OCC漿和ONP漿。由于廢紙漿纖維是二次纖維,為了更好地研究漿料特性對雜質(zhì)離心分離阻力的影響,實驗還選擇了2種原生漿(竹漿和玉米秸稈漿)來作為對比。

圖1　不同漿濃下4種漿料黏度的變化

1.1.2主要實驗器材

Morfi Comapct纖維形態(tài)分析儀；打漿度測定儀；RST-SST軟固體測試儀；定制長1 m、直徑40 mm、壁厚2 mm、有刻度和底座的有機玻璃長管若干根。

1.1.3研究方法

(1)模型物確定廢紙漿中雜質(zhì)的種類較多、形狀極其不規(guī)則、直徑變化大,而球體顆粒的密度不隨直徑的變化而改變,且廢紙漿的主要雜質(zhì)為金屬和玻璃。為了簡化實驗,選用較常見的玻璃球和鋼珠作為雜質(zhì)顆粒模型物。

(2)分離阻力測定通過控制球體顆粒初始速度為0和在特制有機玻璃管中漿料懸浮液高度1 m不變,記錄玻璃球和鋼珠顆粒從漿液頂部自由沉降至管底部所用的時間來反映漿料和雜質(zhì)的動態(tài)分離阻力大小,即本研究用雜質(zhì)顆粒自由沉降所用時間長短來定性反映高濃錐形除渣器分離阻力的大小。

1.2結(jié)果與討論

在雜質(zhì)顆粒與漿料纖維分離的相對運動過程中,其分離阻力主要是纖維對顆粒的糾纏力和漿料懸浮液介質(zhì)的摩擦力。糾纏力主要與纖維長度有關(guān)；摩擦力取決于漿濃、黏度等流體特性。

1.2.1漿料特性對漿雜分離阻力的影響

(1)漿料纖維形態(tài)4種漿料的纖維形態(tài)如表1所示。由表1可知,竹漿纖維無論是纖維數(shù)均長度還是纖維質(zhì)均長度都最長,OCC漿和ONP漿的纖維長度相當。纖維寬度對雜質(zhì)分離阻力影響不明顯[18]。

表1　4種漿料纖維尺寸

圖2　2%漿濃下4種漿料黏度隨剪切速率的變化曲線

圖3　鋼珠在不同漿料中分離時間隨漿濃的變化曲線

(2)漿料黏度不同漿濃下,4種漿料的黏度隨剪切速率的變化曲線如圖1所示。

為了更直觀地比較4種漿料黏度的大小,將漿濃2%的4種漿料黏度隨剪切速率的變化曲線歸并,得到如圖2所示的結(jié)果。圖2表明,OCC漿和竹漿的黏度較大。

圖4　不同廢紙漿主要雜質(zhì)的差異

(3)漿料打漿度OCC漿、ONP漿、竹漿、玉米秸稈漿的打漿度分別為24.1、48.2、15.5、48.0°SR。由此可見,竹漿打漿度最低,ONP漿打漿度比OCC漿打漿度高得多；打漿度低的漿料纖維較長,不利于雜質(zhì)顆粒分離[19-21]。

綜上所述,將實驗獲得的分離時間數(shù)據(jù)整理并繪制成橫坐標為漿濃、縱坐標為分離時間的折線圖。鋼珠顆粒在不同漿料中分離時間隨漿濃的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知,鋼珠在相對黏度較大、纖維較長、打漿度較低的竹漿中分離時間最長；在ONP漿中比在OCC漿中更易分離,且漿濃越高，阻力相差越大。

1.2.2雜質(zhì)特性對漿雜分離阻力的影響

OCC漿和ONP漿中主要雜質(zhì)的形態(tài)如圖4所示。

(1)雜質(zhì)種類與占比OCC漿漿渣中主要雜質(zhì)為箱板結(jié)(約30%)、石子(約25%)、玻璃(約15%)、封箱釘(約5%)及其他雜質(zhì)(包括塑料片、鐵皮、泡沫等，約25%)。ONP漿漿渣中含有玻璃(約50%)、訂書針(約15%)、石子(約15%)及其他雜質(zhì)(包括塑料片、鐵皮、泡沫等，約20%)。

(2)雜質(zhì)密度與球體直徑由于廢紙漿中重雜質(zhì)顆粒種類較多且形狀極其不規(guī)則,根據(jù)國內(nèi)外研究方法及計算的模型研究范例[22],本實驗以球形顆粒作為研究模型,即將雜質(zhì)顆粒視為球體,求出球體直徑,進而方便數(shù)據(jù)處理和為CFD軟件模擬提供參考。表2和表3分別為OCC漿和ONP漿的雜質(zhì)特性。

鋼珠和玻璃球在OCC漿和ONP漿中分離時間的變化如圖5所示。

由圖5可知,玻璃球與鋼珠在OCC漿和ONP漿中分離時間的變化趨勢相近,但在同種漿料中玻璃球的分離時間卻遠大于鋼珠,這說明密度大的雜質(zhì)更容易實現(xiàn)漿雜分離。

表2　OCC漿的雜質(zhì)特性

表3　ONP漿的雜質(zhì)特性

圖5　鋼珠和玻璃球在OCC漿和ONP漿中的分離曲線

(3)雜質(zhì)顆粒模型自由沉降分離時間實驗玻璃球和鋼珠在4種漿料不同濃度下的分離時間如表4所示。

表4　玻璃球和鋼珠在4種漿料不同濃度下的分離時間

注玻璃球和鋼珠在清水中的分離時間分別為1.76和1.19 s。

觀察表4可知,漿料種類不同,雜質(zhì)分離時間不同；漿濃增大,雜質(zhì)分離時間延長；雜質(zhì)種類和特性不同,雜質(zhì)分離時間也不同。

2漿雜分離數(shù)學(xué)模型的建立與分析

2.1雜質(zhì)顆粒受力分析

如圖6所示,球體顆粒在漿料中自由沉降主要受3個力的作用,分別是向下的重力(G)、向上的浮力(Ff)和流體阻力(Fz,與重力相反,或稱黏滯力)；流體阻力包括纖維對顆粒的糾纏力和懸浮液的摩擦力。

圖6球體顆粒受力示意圖

球形顆粒自由沉降開始時,顆粒的加速度為

g

；隨著速度增大,所受阻力不斷增大,然后做加速度減小的變加速運動；最后,當三力平衡時,沉降速度達到最大值,開始做勻速運動。為了方便尋找流體阻力和阻力系數(shù)的變化規(guī)律,將這一過程簡化為加速度恒定的勻加速運動,用這一過程的平均阻力和阻力系數(shù)來定量描述流體阻力和阻力系數(shù)的變化規(guī)律。

球形顆粒的自由沉降以重力的方向為正方向,根據(jù)牛頓第二定律(加速度定律)可得：

∑F=G-Ff-Fz=ma

(1)

其中,直徑為d、顆粒密度為ρ的球形顆粒在密度為ρf的流體中的重力、浮力分別為：

(2)

(3)

(4)

將式(2)～式(4)代入式(1)得到流體阻力Fz：

(5)

式中,G為顆粒重力,ρf為漿料密度,ρ為雜質(zhì)顆粒密度,S為顆粒位移。

2.2求流體阻力Fz

顆粒在流體中作相對運動時受到的阻力大小與顆粒直徑、顆粒密度、相對速度、流體性質(zhì)等因素有關(guān),可表示為：

Fz=f(d,ρ,u,μ)

(6)

由式(1)可求出平均阻力為：

(7)

分析可知,球形顆粒初始速度為0,接著做加速度減小的變加速運動,之后當流體阻力、浮力以及重力平衡時,加速度為0,最后做勻速運動。當加速度a=0時,根據(jù)式(7)可得：

(8)

因為顆粒密度ρ肯定大于流體密度ρf,所以由式(8)可知，相同分離條件下,隨雜質(zhì)顆粒直徑的變大,流體阻力也相應(yīng)增大；當沉降距離足夠長、雜質(zhì)顆粒作勻速運動時,分離阻力為最大值,且接近為定值；雜質(zhì)顆粒密度ρ越大,分離阻力越大。

2.3求阻力系數(shù)CD

當顆粒在黏性流體中運動時,流體作用于球體上的阻力由壓差阻力和摩擦阻力組成。同樣,對于阻力系數(shù),一方面可以從流體黏滯、摩擦角度,通過流體阻力公式來求解；另一方面從流態(tài)出發(fā),分析出阻力系數(shù)是顆粒與流體相對運動時的雷諾數(shù)的函數(shù)。

(1)用公式求解阻力系數(shù)顆粒受到的流體阻力與阻力系數(shù)之間的關(guān)系式為：

(9)

式中,CD為阻力系數(shù)；A為顆粒橫截面積,m2；ρf為流體密度,g/cm3；u為顆粒相對流體的速度,m/s；加速度為0時,將式(8)帶入式(9)可得：

(10)

式(10)表明,阻力系數(shù)與d/u2成正比。

(2)阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系式根據(jù)顆粒雷諾數(shù)(Rep)的大小,大致可分成層流區(qū)、過渡區(qū)和湍流區(qū),并可按下式近似計算其阻力系數(shù)。

層流區(qū)(Stokes區(qū)),10-4

(11)

過渡區(qū)(Allen區(qū)),1

(12)

湍流區(qū),500

CD=0.44

(13)

通常，可采用整個區(qū)域的近似公式：

(14)

2.4結(jié)果與討論

2.4.1數(shù)據(jù)處理

將表4玻璃球和鋼珠顆粒在漿料中沉降所用分離時間代入式(5)(其中,d玻璃=1.62 cm、ρ玻璃=2.7 g/cm3,d鋼珠=0.623 cm、ρ鋼珠=7.93 g/cm3；5%漿濃的漿料密度為1.0007 g/cm3,故ρf≈1 g/cm3；S=1 m)和式(9)中,能夠求出流體阻力(見表5)。

表5　顆粒所受的流體阻力

注玻璃球和鋼珠在清水中的流體阻力分別為34.152和7.499 mN。

在顆粒位移為1 m、做勻加速運動時間t已知的條件下,先求出速度,并將其代入式(10),可求出平均阻力系數(shù)(見表6)。

2.4.2結(jié)果分析

(2)相對而言,玻璃球受到的流體阻力(超過30mN)遠遠大于鋼珠受到的流體阻力(7～8mN)。

(3)相同分離條件下,顆粒在不同流體中的阻力系數(shù)從大到小的順序是竹漿、OCC漿、玉米秸稈漿、ONP漿、清水,如鋼珠在4種漿料(竹漿、OCC漿、玉米秸稈漿、ONP漿)1%漿濃下的阻力系數(shù)依次是2.763、1.843、1.132、0.904。

表6　顆粒所受的阻力系數(shù)

注玻璃球和鋼珠在清水中的阻力系數(shù)分別為1.022和0.685。

3結(jié)論

3.1通常OCC漿漿渣中主要雜質(zhì)為箱板結(jié)(球體直徑約0.273 cm,約30%)、石子(大石子直徑0.358 cm、小石子直徑0.243 cm,約25%)、玻璃(直徑0.306 cm,約15%)、封箱釘(約5%)及其他雜質(zhì)(包括塑料片、鐵皮、泡沫等,約25%)；ONP漿漿渣中含有玻璃(大玻璃直徑0.306 cm、中玻璃直徑0.243 cm、小玻璃直徑0.201 cm,約50%)、訂書針(約15%)、石子(直徑0.243 cm，約15%)及其他雜質(zhì)(包括塑料片、鐵皮、泡沫等,約20%)。

3.2雜質(zhì)顆粒在相對黏度較大、纖維較長、打漿度較低的漿料中分離阻力較大。

3.3OCC漿體系漿雜分離阻力比ONP漿體系的大,且漿濃越高,分離阻力相差越大。因而，在設(shè)計高濃錐形除渣器時,用于處理OCC漿的高濃錐形除渣器的筒錐體直徑應(yīng)比處理ONP漿的小；反之,由于ONP漿分離阻力較小,可采用提高進漿濃度或降低進漿壓力等方法達到增產(chǎn)和節(jié)能的目的。

3.4相同分離條件下,隨雜質(zhì)顆粒直徑的變大,流體阻力也相應(yīng)增大；在分離過程中密度大的雜質(zhì)所受漿雜分離動力和阻力同步增大,但卻更容易實現(xiàn)漿雜分離；當分離距離足夠長、雜質(zhì)顆粒作勻速運動時,分離阻力為最大值,且接近定值。

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(責(zé)任編輯：關(guān)穎)

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

中圖分類號：TS732

文獻標識碼：A

文章編號：1000- 6842(2016)01- 0020- 07

作者簡介:蔡慧,女,1992年生；在讀碩士研究生；主要從事制漿造紙節(jié)能減排技術(shù)與裝備的研究。*通信聯(lián)系人:張輝,E-mail:zhnj@163.com。

收稿日期：2015- 08- 03

資助項目：南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室開放基金(201522)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)。