立式碎浆机和转鼓碎浆机工作原理及对比

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众所周知,碎解的目的是将废纸疏解分散成纤维的水悬浮液,在此过程中重大杂质可以与纤维进行分离,能够满足浆料进行下一步的筛选和净化工序。碎解过程对废纸制浆极其重要,良好的碎浆系统可以提高废纸成浆的质量,保证成品纸张的性能。现代废纸制浆最常用的碎解设备有立式碎浆机和转鼓碎浆机,下面,我们对立式碎浆机和转鼓碎浆机的发展背景和工作原理作一介绍。

1立式碎浆机的工作原理

立式碎浆机是一种传统的碎浆设备,主要用于碎解废纸和浆板等。为减少纤维原料消耗量,当今世界各国都十分重视废纸回收和利用,各国也都加强了立式碎浆机碎解废纸技术的研究,立式碎浆技术在不断地改进和提高。

立式碎浆机形式多样,根据操作是否连续可分为连续式碎浆机和间歇式碎浆机,根据浓度高低可以分为高浓碎浆机和低浓碎浆机。

立式碎浆机形式虽多种多样,但是主要结构形式是相同的,典型的立式碎浆机由转子、筛板、工作槽体及传动机构组成,其中转子是最关键的部件。各国制浆造纸行业都很重视转子的研究,转子发展历程先后经历了叶式转子、伏克斯转子和节能型转子,见图1。

立式碎浆机的碎解原理:启动电机后,叶轮开始转动,槽体中的浆料沿着轴线中心吸入,从圆周高速抛出,形成剧烈的湍流循环。由于叶轮翼的撕扯及不同速度的浆流层的相互湍动,产生一种巨大的摩擦作用,使浆料在湿态中强烈疏解、分离纤维,同时纤维束又在叶轮与筛板的间隙中互相摩擦,增加纤维化的作用。然后浆料通过筛板上的筛孔流入浆盘,通过浆泵送至后续处理设备。

2转鼓碎浆机的工作原理

转鼓式碎浆机是从欧洲发展起来的一种高效废纸碎解设备,2000年以后,在我国得到快速的发展和应用。转鼓碎浆机主要由进料斗、转鼓、筛鼓、传动机构、底座与平台、喷水管等部分组成,其主要结构见图2。

转鼓碎浆机具有碎浆区和筛选区,可一次完成碎浆、筛选的两个工序。废纸由输送机送入缓慢转动的高浓碎浆区,在14%~22%的浓度下,随着转鼓转动被内壁上的刮板反复兜起到一定高度跌落,并与转鼓坚硬的内壁表面撞击。这样,由于产生温和有效的剪切力及纤维之间摩擦作用的增强,使废纸分离成纤维,外来杂质和薄膜、塑料、沙砾、破布等而不被碎解。由于转鼓不断回转,并稍微向下倾斜,废纸浆沿着这个倾角前进,通过碎解区进入筛选区。在该区从转鼓侧加入稀释水,将浆料稀释成3%~4%的浓度,稀释的浆料通过筛孔进入浆池,轻、重杂质被反冲回鼓内,继续前进,在转鼓末端排出。

3两种碎浆系统的比较

现以国内两条年产45万t的废纸制浆生产线为例作比较,一条生产线位于广东东莞,采用立式碎浆机碎浆系统;另一条生产线位于福建泉州,采用转鼓碎浆机碎浆系统。

3.1工艺流程及控制系统对比

3.1.1立式碎浆系统组成

主要设备包含:立式碎浆机、再碎机、水力清渣机、圆筒筛等,辅助设备有绞绳机、剪绳机等,其主要流程及控制系统如图3、图4。

3.1.2转鼓碎浆系统组成

主要设备是转鼓碎浆机,其主要流程及控制系统如图5。

3.2投资及综合运行成本对比

3.2.1设备成本对比(表1)

可以看出,转鼓碎浆系统设备成本比立式碎浆系统成本高出约1800万元。

3.2.2仪表成本对比

转鼓碎浆机碎浆系统大约有60个I/O回路,立式碎浆机碎浆系统大约有200个I/O回路,转鼓碎浆系统I/O回路个数仅占立式碎浆系统的30%;转鼓碎浆系统仪表阀门数量占立式碎浆机碎浆系统的40%,立式碎浆系统仪表成本比转鼓碎浆系统高出约120万元。

3.3主要生产指标及经济性对比

3.3.1电耗成本对比

转鼓碎浆系统和立式碎浆系统设备安装功率见表2、表3。

若国内电价以0.5元人民币/度计,一年生产天数以350天计,有效功率占比以85%计,则转鼓碎浆系统与立式碎浆系统年电耗成本计算如表4。

可见,转鼓碎浆系统电耗成本每年比立式碎浆系统高出约1572060元。

3.3.2设备维护费用对比

转鼓碎浆机磨损件较少,故障率非常低,除了更换齿轮箱油和过滤芯外,10年内基本不需要其他维修;立式碎浆机碎浆系统由于单体设备多,控制复杂,故障率较高,立式碎浆机每年需要更换约4次筛板,更换3次转子耐磨片,加上平时转子打磨费用等,每年需花费50万~80万元备件费用。

3.3.3废物回收节约费用对比

立式碎浆机需要利用铁丝作为绞绳,绞绳需要额外的处理费用,而转鼓碎浆机不需要绞绳,铁丝抽出后可以直接售卖,转鼓碎浆系统每年可抽出铁丝约300t,折合约50万~80万元。

3.3.4碎浆质量及原料成本对比

结合转鼓碎浆机和立式碎浆机原理,得出以下结论:

立式碎浆机:作用力为机械剪切力,对纤维有一定损伤,同时会打碎杂质和胶黏物,不利于后续去除胶黏物和杂质。

转鼓碎浆机:碎浆过程温和,通过摩擦力和摔打力碎浆,能有效地保护纤维,因此可以使用质量更低的原料。图6、图7是立式碎浆机和转鼓碎浆机良浆抄片照片。

对转鼓碎浆机及立式碎浆机良浆取样进行纸片含量和渣含量的定量分析,结果见图8。

由图8可以看出:在同种原料基础上,转鼓碎浆机良浆中浆渣含量仅占立式碎浆机良浆渣含量的80%,良浆纸片含量仅占立式碎浆机的15%。转鼓碎浆机相对于立式碎浆机不仅可以减少良浆中浆渣及纸片的含量,同时可以提高浆料纤维的强度指标。对两种碎浆系统浆料纤维强度进行对比,结果如图9所示。

可以看出,转鼓碎浆机指标除抗张强度外,耐破度和环压强度等指标均有10%左右的提高,平压强度指标甚至提高到20%。

基于以上分析,可知转鼓碎浆系统能有效保护纤维,提高成浆质量。因此与立式碎浆机相比,生产同质量产品的情况下,可以使用质量更低的废纸原料。

假如使用转鼓碎浆机,每吨原料可以综合节约成本30元,以45万t的废纸制浆生产线为例,使用转鼓碎浆机比立式碎浆机每年原料成本可以节约45×30=1350万元。

3.4两种形式碎浆系统经济性对比

根据以上两种形式碎浆系统对比,成本比较如表5。

故运行转鼓碎浆系统1.26年,即可收回较立式碎浆系统多出的设备投资成本。

3.5两种形式碎浆系统操作及运行环境对比

3.5.1操作难易性

立式碎浆系统,控制系统复杂,I/O接口多,对废纸原料的质量变化非常敏感,运行过程中,操作人员要时刻注意观察,尤其渣处理系统对重大的杂质非常敏感。现场至少需要一名操作人员操作抓斗和绞绳切刀,以及检查碎浆机是否正常运行。而转鼓碎浆系统I/O接口少,仅转鼓碎浆机一台设备,不需要现场操作。

3.5.2运行环境

两种形式碎浆系统排渣口数量见表6。

可以看出,立式碎浆系统排渣口多,需要多名操作工现场作业,操作环境比较难以管理,容易导致环境脏乱差,而转鼓碎浆系统仅有一个排渣口,现场工作环境良好,可以更好地满足清洁生产的要求。

4结语

(1)以国内南方两条45万t/a废纸制浆生产线为例,从投资成本、运行能耗、操作环境、操作难易性等各方面对转鼓碎浆系统和立式碎浆系统进行了对比,从对比数据可以得出,仅从设备及安装投资成本、电耗费用两方面看,转鼓碎浆系统要远高于立式碎浆系统。

转鼓碎浆系统的最大优势在于:它的运行过程温和,可以使用相对较差的原料,生产出较高性能浆料,从而节省原料成本;同时,转鼓碎浆系统设备少、生产自动化程度高、设备操作维护简单、排渣口少、生产环境整洁,更适合现代化、高产能废纸生产线的要求。

(2)转鼓碎浆机运行过程温和,对纤维破坏性小,但这个特点同时也限制了它的原料种类,如部分美废原料,表面带有木浆挂面层,在转鼓碎浆系统中难以得到充分的碎解,而立式碎浆机可以处理类似的多种废纸和浆纸,很少受到原料种类的限制;另外,转鼓碎浆机不适用于低产能、间歇生产的碎浆线,并且由于转鼓碎浆机设备较大,占地面积大,故没有立式碎浆系统布置灵活,这也是目前立式碎浆机在新项目中仍被大量使用的原因。

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