变螺径式转子用于OCC碎浆的中试研究

万金泉 杨 静 马邕文 王 艳 郭文杰

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640;2.华南理工大学环境科学与工程学院，广东广州，510006)

变螺径式转子用于OCC碎浆的中试研究

万金泉1杨 静1马邕文1王 艳2郭文杰2

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640;2.华南理工大学环境科学与工程学院，广东广州，510006)

对新型变螺径式、ZQS9型以及伏克斯型3种转子进行OCC碎浆对比实验。结果表明，新型变螺径式转子 (简称新型转子)比ZQS9型转子生产能力提高了20%，碎浆单位质量能耗降低了12.8%;并且前者对纤维的分丝帚化作用更为明显，纤维保水值增加了5.4%，成纸抗张指数、撕裂指数分别提高了4.8%和5.8%。在纸厂采用新型转子和伏克斯转子进行中试对比，结果表明，新型转子可以使碎浆能耗降低22%，成纸强度最大可提高40%左右，纤维保水值和比表面积分别提高了6.0%和6.5%，而结晶度和孔径的变化则较小。

变螺径;转子;OCC;成纸强度

随着我国造纸工业的蓬勃发展，再生纤维已经成为造纸工业中极其重要的纤维原料。据统计，2008年造纸工业纤维原料中废纸浆的用量为4439万t，2009年增加至4939万t，占纤维原料总量的62%，并且该比例还有继续上升的趋势［1］。但在再生纤维回用过程中，其成纸的强度性能、光学性能等都有不同程度的降低。因此，如何延缓再生纤维的衰变以提高其在回用过程中的利用率和利用效果是造纸工作者目前面临的一项艰巨任务［2-5］。

碎浆过程对再生纤维的回收利用至关重要。转子是碎浆机的关键部件，其结构直接影响到碎浆机的能耗和碎浆效果。水力碎浆可根据浆料的浓度分为低浓和高浓两种，近些年来又发展了中浓碎浆［6］。与低浓碎浆相比，中高浓水力碎浆具有对纤维剪切损伤少、碎解效率高、能耗低等优点，因此是废纸碎浆的发展方向［7］。但浆料在浓度超过10%时流动性变差，浆料不能充分循环甚至产生沿转芯“打旋”的现象，从而导致浆料碎解效率低下，这也是高浓水力碎浆机设计的难点。

笔者通过改进转子的结构提出了一种变螺径式高浓水力碎浆转子 (新型转子)的设计方案，以克服现有碎浆机转子在高浓度条件下碎浆的缺点，并研究了新型转子在碎浆能耗、碎浆效果以及纤维性能方面的优势。

1 实验

1.1 实验原料

国产OCC纸浆。

1.2 实验方法和检测

1.2.1 细胞壁孔径及BET比表面积的测定方法

采用孔径分布测定仪ASAP2010M(USA，Micromeritics)对纤维孔结构进行分析，实验过程中采用高纯N2作为吸附质，被测样品装在样品分析管中，于77 K的液氮冷阱环境下用静态容量法对高纯N2进行吸附脱附测定。根据不同相对压力下N2吸附量的不同，可以得到吸附脱附等温线，再进一步根据BET方程、BJH模型、H-K模型、DFT、T-Plot等作图和计算，可以求出多孔材料的BET比表面积、大中孔和微孔大小、微孔比表面积、微孔孔容、总孔容、平均孔径等表面结构参数。

1.2.2 纤维长度及纸张物理性能测试

纤维长度用FS200纤维长度测定仪测定;将纸样在恒温恒湿室中放置24 h平衡水分，再按照国家相关标准进行强度性能测试。

1.2.3 保水值的测定

纤维保水值 (WRV)采用离心法测定。称取绝干质量相当于1.5 g的浆料或纸片，疏解后在3000 r/min的转速下离心处理15 min。称取湿浆料的质量和烘干后的绝干质量，两者之差与浆料绝干质量的比值即为WRV值。每个浆样同时测定2份，以算术平均值表示结果。

式中:m1—离心后的湿浆质量，g;

m2—绝干浆质量，g。

1.2.4 X射线衍射法测定结晶度

采用CuKa衍射，管压40 kV，管流30 mA，扫描二倍衍射角2θ在5°～60°范围内变动。将纸样直接用胶水粘在测试夹持器上，进行衍射测试。

式中:I020—结晶区的衍射强度 (2θ≈22.5°);

Iam—无定型区的衍射强度 (2θ≈18.0°)。

2 结果与讨论

2.1 新型转子的设计方案

中高浓碎浆机在碎浆效果和碎浆能耗方面的优势使其成为废纸制浆的主流设备，但其浆料循环状况较差直接影响到碎浆效率和生产能力［8］。为改善浆料在较高浓度下的循环状况，一般的方法是产生一个稳定的高强剪切力场，使浆料在高强剪切力场的作用下受到强烈的扰动而达到湍流状态。在碎浆机工作时，转子的作用正是在浆槽内产生一个高强剪切力场，使浆料产生湍流和强制涡流循环，同时使浆料各部分受力均匀，以免成浆不匀。因此，中高浓碎浆转子设计的关键就在于:①通过转子将能量均匀地传递给浆料;②在浆槽内产生高强剪切力场，强制浆料产生湍动和涡流循环，以达到碎浆目的。

根据转子在碎浆机中的作用原理可以通过改进其结构达到在较高浓度下碎浆的目的。首先为了使转子产生强烈的湍流和涡流循环，将转子设计为螺旋面的形式，因螺旋转子与废纸浆的接触面大，可以产生高强剪切力场实现废纸浆的循环运动;另一方面还需保证浆料和转子各部件受力均匀，以免产生转子振动和成浆不均匀的现象，为此将转子设计成均匀分布的三螺旋线形式。同时还要控制好螺旋叶片的宽度，叶片过窄则传递给浆料的能量不足，沿槽壁部分的浆料静止不动，而转子附近的浆料随转子转动形成“转柱”现象，导致整个槽体中的浆料受力不均匀;叶片过宽虽可保证其碎浆效果，但会增加动力消耗。

另外，还要考虑到浆槽底部浆料流动性较差的问题，因此将螺旋叶片宽度设计为沿转芯向槽底均匀增加的形式，使叶轮与浆料的接触面积逐渐增大，作用力逐渐增强，以提高槽底浆料的流动性。并且在转子底部设计了带齿的甩浆叶片，一方面可在碎浆初期借助叶片的机械力作用加速将较大的片状废纸撕成碎片，另一方面叶片采用环形结构可以将循环运动到转子底部的浆料甩到槽壁，更好地实现槽内浆料的循环运动。

2.2 新型转子和实验室ZQS9型转子的结构对比

在本设计中，利用Pro/E软件和Mechanica模块的有限元分析确定转子的螺距为116.732 mm，叶片厚度为3.254 mm。将优化后的转子加工成实体，并与实验室浆槽组装成水力碎浆机。新型转子的其他主要技术参数如表1所示。

表1 新型碎浆机转子结构参数 mm

图1所示为设计的新型中高浓水力碎浆机转子。新型转子包括转芯、螺旋叶片、齿形叶片3部分，3个螺旋叶片采用等螺距、变螺径结构。转芯分为两部分，上部为圆柱形;下部为圆锥形。转芯上部为转子的主要构件，3个螺旋叶片均匀分布并环绕于圆柱形转芯上。底盘上连接着3个带有齿纹的环形叶片，可将经过润胀的废纸撕成碎片以加速废纸破碎，同时环形结构还有助于将底部浆料推向槽壁，获得良好的机内循环效果。

图1 螺旋转子结构

图2所示是新型转子工作时的碎浆情况。从图2可以看到，周边废纸浆料向转子中心靠拢，废纸浆料被循环流较快吸入，碎解较快且循环平稳。

图2 新型转子工作时浆料循环混合图

图3所示为实验室ZQS9型转子的实拍照片以及转子及叶片的尺寸。ZQS9型此转子结构简单，底盘上装有4个梯形的叶片，其形状尺寸分为图3所示的a、b两种。

2.3 新型转子碎浆机在实验室的性能研究

2.3.1 新型转子碎浆的经济性能

将新型转子和实验室ZQS9型转子分别进行碎浆实验，探讨新型转子的碎浆能力和能量消耗情况，结果见表2。

表2 新型转子与ZQS9型转子经济性能参数比较

由表2可知，新型转子生产能力提高了20%。碎浆浓度从10%提高到12%，实现了浓度在12%以上的高浓碎浆。虽然新型转子的电机输出功率较高，但单位质量浆料耗电量却节省了12.8%。

2.3.2 新转子碎浆效果

采用新型转子和ZQS9型转子分别碎解OCC，研究两者对纤维性能的影响以比较其碎浆效果，对比结果见表3。

表3 新型转子和ZQS9型转子碎浆效果的对比

由表3可知，经新型转子碎解的OCC浆，细小纤维含量增加了5.5%，这主要是因为相对于实验室ZQS9型转子来说，新型转子的碎浆浓度较高，纤维间的相互摩擦和揉搓作用增强以致产生了较多的细小纤维;纤维质均长度下降了2.0%，可见转子形状的改变增强了碎浆机对纤维的剪切作用，但这种作用力极其有限，碎浆过程对纤维最主要的作用力仍是纤维间的相互摩擦和揉搓作用。新型转子使得纤维保水值提高了5.4%，成纸抗张指数、撕裂指数分别提高了4.8%和5.8%。强度性能的提高主要是因为纤维表面细纤维化增强了纤维之间的结合力。

图3 实验室ZQS9型转子及叶片尺寸

利用低温氮吸附法测试两种转子碎浆后纤维的平均孔径和BET比表面积，表4示出了不同转子碎浆后纤维平均孔径和BET比表面积的变化情况。

从表4可以看出，采用新型转子碎解的OCC浆，纤维平均孔径变化较小，仅下降了4.7%，说明碎浆过程对再生纤维的平均孔径影响很小。但累积孔容发生了较大变化，新型转子使纤维的累积孔容提高了14.1%，这主要是由于孔径分布的变化所造成的。并且BET比表面积也有明显增大，提高了17.6%。这主要是因为新型转子碎浆后，纤维表面细纤维化程度提高，而其表面细纤维的直径很小，故比表面积增大。

表4 不同转子碎浆后纤维平均孔径和BET比表面积

从表4数据分析可知，无论是从碎浆的生产能力和碎浆能耗等经济性能，还是从碎浆对纤维性能的提高效果上来说，新型转子都要优于实验室的ZQS9型转子。

2.4 新型转子碎浆机在纸厂的中试生产试验

2.4.1 新型转子碎浆机的碎浆性能

为了进一步验证新型转子在实际生产中的效果，笔者在广东省某纸厂进行了中试生产试验。该公司25 m3D型碎浆机转子原为伏克斯转子，主要处理国产OCC。两台碎浆机原来每天连续碎解OCC约220～240 t，用电量为3420 kWh。现更换上新型转子进行中试试验，每天工作时间由18 h减少为14 h，用电量由3420 kWh降为2660 kWh，单位质量绝干浆耗电量下降了22%。表5和表6分别列出了纸厂伏克斯转子的技术参数及两种转子碎浆效果的比较。

表5 纸厂伏克斯转子水力碎浆机的主要技术参数

表6 新型转子与伏克斯转子碎浆效果比较

表7 新型转子与伏克斯转子碎浆后成纸强度性能比较

2.4.2 新型转子对纸张强度性能的影响

在中试生产中分别采用新型转子、伏克斯转子处理OCC，以研究新型转子在提高再生纤维成纸强度方面的效果。表7为OCC经两种不同转子碎浆处理后成纸强度性能的变化情况。

从表7可以看出，与伏克斯转子相比，采用新型转子后，纸张的紧度没有发生变化，而耐破指数上升了4.8%;纸张的强度都有不同程度的提高，纸张的纵横向抗张指数分别提高了41.2%和6.0%;纵横向环压指数分别提高了12.5%和11.8%;纵横向撕裂指数分别提高了44.3%和20.0%。中试结果表明，新型转子对纸张的强度性能提高较多，与实验室的研究结果一致。

2.4.3 新型转子对纤维性能的影响

表8为OCC经过不同转子碎浆处理后，其纤维保水值、结晶度以及细胞壁孔隙参数的变化情况。从表8可以看出，与伏克斯转子相比，采用新型转子后，纤维素的结晶度和平均孔径变化不大，而纤维保水值和比表面积则分别提高了6.0%和6.5%。原因可能是相对于打浆工序来说，碎浆仍然是一种较温和的机械处理方式，还不足以改变纤维的内部结构，因而结晶度没有变化。新型转子加强了对纤维的分丝帚化作用，因此纤维保水值提高了。

表8 不同转子处理后的纤维性能

由实验室实验和纸厂中试结果可知，与ZQS9型转子以及纸厂的伏克斯转子相比，采用新型转子后，不仅碎浆能耗降低了，生产能力提高，而且成纸强度也有所改善。

3 结论

3.1 新型变螺径式转子 (新型转子)同实验室ZQS9型转子相比，生产能力提高了20%，碎浆浓度从10%提高到12%，碎浆单位质量能耗降低了12.8%。采用新型转子处理OCC，成纸强度性能有明显提高，细小纤维含量增加了5.5%，纤维质均长度下降了2.0%，纤维保水值提高了5.4%，成纸抗张指数、撕裂指数分别提高了4.8%和5.8%，纤维累积孔容和BET比表面积分别提高了14.1%和17.6%。

3.2 将新型转子与纸厂伏克斯转子的碎浆性能进行对比，结果显示，与纸厂伏克斯转子相比，新型转子碎浆能耗降低了22%，并且成纸强度性能明显提高。尤其是纸张的纵向抗张指数和横向撕裂指数变化最为明显，分别提高了41.2%和44.3%，纤维保水值和比表面积分别提高了6.0%、6.5%，而纤维结晶度和平均孔径变化不大。

［1］ 中国造纸协会．中国造纸工业2009年度报告［J］．造纸信息，2010(6):6．

［2］ 黄应刚，何北海，肖 萍，等．抑制回用纤维品质衰变方法及其机理研究［J］．造纸科学与技术，2001，20(5):14．

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［4］ Nazhad M M，Paszner L．Fundamentals of strength loss in recycled paper［J］．Tappi Journal，1994，77(9):171．

［5］ Somwang K，Enomae T，Onabe F．Effect of fiber hornification in recycling on bonding potential at interfiber crossings:Confocal Laserscanning Microscopy(CLSM)［J］．Japan Tappi Journal，2002，56(2):239．

［6］ 沈嵘枫，沈鸿枝．中浓度碎浆机转子的改进试验和实践［J］．福建轻纺，2001(6):13．

［7］ 张学良，万金泉．基于Pro/E的新型碎浆机转子的有限元分析和结构优化［J］．纸和造纸，2009，28(8):14．

［8］ 陈晓楚，罗志新，梁根权．水力碎浆机新型转子用于废纸的碎解［J］．中国造纸，2009，28(10):50．

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

万金泉先生，教授;主要研究方向:制浆造纸污染控制技术、二次纤维的高效循环利用。

(*E-mail:yangjing455@126．com)

2010-01-03(修改稿)

本课题由以下项目提供资金支持:国家863项目 (2007AA03Z433);广东省重点科技攻关项目 (2008A030202008);广东省科技计划项目(2008B030302035)。

(责任编辑:赵旸宇)