除渣及浓料长缝筛选
出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《涂布加工纸技术手册》第193页（12394字）
精磨好的原纸成浆还要经过纸机前的除渣和筛选。近几十年来的除渣器的设计型号，发展得很快很多，使用得也极普遍，特别对废纸等成浆还要用轻、重杂质除渣器。
1．除渣器
大多数纤维源在水中呈纸浆态时含有密度与面积不同的杂质，这些杂质可以利用离心力将之去除，除渣器就是利用离心力去除这些杂质的设备。离心除渣器能去除相对密度大于1．0的杂质，还包括细的和更细的。离心除渣器工作最佳浓度为小于1%，从理论上说所有除渣器在低浓时都工作得很好，同时其它材料(即纤维)并不对杂质的除去有影响。某些杂质如大的重材料(即石头、碎金属)能在浓度2%～4%范围内除去这种杂质，轻质或逆向除渣器能除去相对密度小于1．0杂质、操作最佳浓度小于1%，图3-26离心除渣器原理图简要地说明它是结合离心力及拖力(Drag Force)把杂质去除的。
1)操作理论
除渣器基本上是借旋转的液体动作，利用纤维与杂质之间密度、形状、大小的不同将之分离而去除不要成分的，表3-20显示某些杂质的密度。
表3-20 杂质相对密度表
图3-27是除渣器及其它分离设施，不同杂质颗粒大小去除效率的比较。当颗粒大小低至60μm时不管密度怎样，除渣效率将大大下降。如果杂质颗粒大小比1000μm大时，选择去除设备变为关键，它将选成重质(HD)除渣器，先进的其它除渣器或筛浆机。上述3-26图是简化的离心除渣器原理图，它通过离心力和拖拉力的联合把杂质去除。从图上可以看到浆料从切线方向进入除渣器助其增加旋转运动。某些尺寸包括进口、出浆与排渣器的尺寸、圆柱锥体的长短和直径、还有锥体的长与结构材料都是关键尺寸。
图3-26 除渣器除渣原理图
图3-27 除渣器及其它分离设施的杂质去除率
2)作用力
在除渣器纸浆内加入的有第一意义的力是离心力，离心力的公式如下：
式中 m--颗粒质量，kg
γ--除渣器半径，m
v--颗粒速度，m／s
r为除渣器设计所设定，半径愈小离心力愈高。愈是小直径的除渣器，对愈小的杂质，清除效率愈高。最佳速度v与除渣器设计及其泵需用动力由此而产生压力降的函数愈高，流量需要更多的泵动力达到愈高的压力降，同时速度愈高除渣器需要愈小的孔(Orifices)。
另一种有意义的是拖拉力，它的公式为：
式中 Cd--无方向的大小颗粒拖拉系数
v--颗粒速度，m／s
ρ--流体密度，kg／m3
Sp--与流向垂直方向的颗粒面积，m2
拖拉力特别按照颗粒形状而异。例如：按照颗粒形状排列的不同球形的颗粒具有最小的拖拉力而片状的颗粒具有最大的拖拉力。另外拖拉力按照颗粒大小、密度与浆料液的粘度，变更颗粒的运动。一般而言拖拉力的方向与离心力的方向是相反的，图3-26即表示它们之间的关系。
图3-28是颗粒运动与尺寸大小、密度与浆料液之间的关系。
图3-28 除渣器诸力与杂质颗粒分离位置
第三个有意义的力是浮力，公式为：
式中 Vp--颗粒体积，m3
v--颗粒速度，m／s
ρ--流体密度，kg／m3
这三个公式，说明杂质在除渣器中受离心力加速率主宰的事实，出口杂质运动按照沉降的Stokes定律：
式中 Vt--颗粒的速度极限，ms
r--除渣器半径，m
ω--角速度，m／s
Dp--颗粒直径，m
ρp--颗粒密度，kg／m3
ρ--流体密度，kg／m3
μ--流体粘度，mPa·s
就简单投入除渣器设计而言，流体与杂质之间的密度差别愈大，愈适合杂质的去除。图3-28例说明除渣器各种力与颗粒的位置各自在器壁间有各自的旋涡(Vortex)旋转轴。同例说明如塑料颗粒有着最低密度将留在靠中间的旋涡处，同时较重的杂质，如砂粒和油墨片将迫向除渣器壁。
3)性能特征(图3-29～图3-32)
图3-29 除渣器能量曲线压力降对体积流量关系
图3-30 压力降和去除率
图3-31 排渣量与去除效率不同步
图3-32 浓度愈低去除率愈高
4)除渣器类型
(1)重质除渣器：这种HD除渣器(High Density Cleaner)是用以去除大的、重的杂质堆的，从而保护下一流程的设备免遭杂质损害，典型去除物为重石块、玻璃、纸别针、钉书钉、践踏金属物之类，这种除渣器广泛用于二次纤维处理或某些适用的纸厂。一般结构顶端设有旋涡柱并装有转子，HD除渣器经常的操作浓度为2%～4%，由不锈钢或陶瓷制造。
(2)精细除渣器(Fine Cleaner)：精细／改进式除渣器的初步目的是追随最终产品的质量和外观，加之以除渣器要承受砂粒与粗石和与此密度相似的杂质和油墨与某些塑料的摩擦。
精细除渣器可以分类为两种形式：一种是排渣自由流出(Free bleed)式，另一种是压力排渣(Pressurized reject)式。自由流出式的意思是排渣放入大气中，通常是排到槽中或其它排渣输送装置。自由流出式的好处是塞住的排渣器很容易识别。然而自由流出式在厂内存在着屋内看管问题，空气进入浆料或稍稍需要排渣口小一些以减少纤维的损失，这又增加了排渣成塞口趋势。
而加压排渣除渣器，用一只控制阀供排渣反压力的控制。压力排渣式除渣器一般有较大的排渣口，操作保险防止空气入纸浆，并能够较好地进行过程控制，虽然这种排渣塞的形成，不易被识别。
精细除渣器主要部分由塑料、陶瓷或不锈钢材料制成，它们同样对器头和锥体有很多的设计意欲影响器内部液体动力学。这类国产的除渣器，以下是一例：
新型350除渣器(图3-33)，技术特征：
(a)压力降和处理量：
压力降／MPa 处理量／L·min-1
0．1 365
0．12 400
0．15 450
(b)最低的出口压力要求：0．035MPa
(c)允许最高进口压力：
1级罐 0．3MPa
2级罐 0．25MPa
(d)允许的最高温度：85℃
(e)浆料进口和良浆出口管径均为Dg50mm
图3-33 350除渣器结构示意及组合图
排渣管径为18Dg，排渣器接30Dg透明管可以观察。
(3)轻质除渣器：本器使用目的为使最终产品有更好的质量，同样对纸机网部、烘缸起保护作用。它们的任务是从纸当中除去像蜡、塑料及胶着物一类的杂质，轻质除渣器同样能除去在浆中出现的空气。
目前有多种轻质除渣器。
关于轻质除渣器在前面二次纤维浆章节已有论及。大部分的轻质除渣器具有高效，低压力降，低排渣率，低空气敏感性等特征。
2．浓料缝筛
本节中着重介绍近几年来迅速发展的浓料缝筛。这项新技术用得好，甚至有些品种或有些纸机可以不需使用除渣器。所谓浓料筛选，是指正常纸料的料浓度在3．5%～4．0%左右的缝筛筛选系统，在实用中，这种筛选设备适用于任何普通纸机的存浆池浓度，这种筛选系统其缝筛(Slot)规格可以小至0．15mm。一般来说浓料缝筛系统流程处在成浆存浆池至纸机存浆池之间。由于浓料缝筛可以达到优级的成浆清洁水平，非常有效地除去杂质，所以这无须再在流浆箱部位再用细筛，流浆箱筛一般可以采用宽缝或大孔径筛板的低浓筛浆机，其功能是用来冲破纤维絮聚浆，成为一种“保护筛”(Police Screen或Guard Screen)而已。前述典型的浓料缝筛是0．15～0．25mm筛缝，这种典型缝筛后的纸机流浆箱低浓筛的筛缝是0．25～0．45mm。
图3-34 “真逆向”(True Reverse)型轻质除渣器
图3-35 锥流(CoreBleed)型重质轻质除渣器
1)为什么要用浓料筛选
小的杂质残余进入系统要导致原纸纸机运转时的纸页断头以及涂布时的条痕等等，这就引起增加损纸及原纸机有效运转的减少，同时这种产品在印刷厂相对引起损坏和产生运转问题，削弱终端产品的质量，有些杂质还要磨损设备。用浓料筛可以在纸料进入原纸纸机短循环系统前除去不纯物和杂质。在老的原纸纸机中，有着能量小的流浆箱筛浆机，如果加此种浓料筛浆系统，经济效益较高，比起原存的流浆箱筛占地少，省却很多打光精度高的纸液管线。此外，流浆箱筛的筛渣可以进入浓料筛浆系统，降低全厂的筛渣率。
2)浓料筛选理论
生产原纸的工厂中，在造纸纸浆被处理的浓度范围内，浆料悬浮液中的纤维缠绕呈絮团状态。大多数纤维、杂质和胶粘物夹裹在这些浆絮团里。在筛选工艺中，最重要的是将在边界层的纤维和杂质絮团打碎成单独的组分，使得能够根据它们不同的性质把纤维和杂质分离开，这种分散作用是由筛板表面几何形状产生的湍流完成的，在边界层的能量是通过在筛选区中由筛板和进浆的速度差产生的。纸浆在高浓度时，需要的浆絮团打碎和保持分散状态下纤维悬浮液的能量也较高，所以筛板表面几何形状和筛板表面条件的优选是非常重要的。
图3-36是平筛板和比照象征Sunds Delta筛表面起伏形筛板作的比较。采用平筛板时，如图上部所示，纤维絮团没有被打碎因而没有筛选或纤维分级作用发生，只有浓缩作用。
图3-36 筛板几何形状对筛板表面纤维悬浮液状态的影响
图3-36下部显示了表面起伏形状的筛板，它产生了分散的边界层。在这种情况下，浆料单独的组分被调动起来，并且彼此相互独立地运动，这是对纤维和杂质进行有选择性分离的需要，筛板表面边界层的能量强度应该刚好大于浆料完全流体化所需要的能量，因为任何粒子过度的运动都是浪费能量而且会降低筛选的分离效率。在所有的分离工艺中，浆料浓度起着主要的作用。另外不同种类的浆料，其不同浓度打破纤维絮聚团的所需能量也不同，浓度和能量强度彼此成为有一定规律的函数。
3)先进的转子和筛鼓的结构
以上说明浓料筛分的原理，举Sunds Delta筛为例。现再举一种Ahlstrom Modu型筛转子与筛鼓的结构。浓料筛的主要特征是能在接近4%浆浓度下运行。最低浓度的接受水平正常的为浓度3．2%。Ahlstrom Modu筛F(F型属精细筛)，在此种筛浆机运行最佳的低渣型转子LR是专为浓料筛而设计。图3-37示出LR转子的原理，转子表面分为4个区域：即进料区、进料与混合区、混合区、有效混合区，这就为整个筛鼓发挥最高作用创造了条件。
图3-37 LR转子原理
筛鼓内侧料的浓缩作用极小，这是因为转子对筛孔有着抽吸作用，当纸料通过筛鼓时，液体比纤维更容易通过，它们对着筛渣块起反抽吸作用，所以接受浓度维持高水平。LR转子能给予更均匀流送去覆盖筛鼓，在全部筛选过程中维持设备允许的最佳条件。图3-38表示纤维悬浮过筛的速度。
图3-38 悬浮液经过筛鼓的速度
铣出轮廓的Ahlwire筛鼓网与LR转子相互配合完善，铣出轮廓的筛网在筛鼓面上发生微湍协同LR转子一起防止纤维缠块(Mat)在筛面上的形成。用Ahlwire筛鼓可以配用很细的缝隙(见图3-39)，因为即使在高浓情况下，由于铣出轮廓的筛网表面没有堵塞趋势。Ahlwire筛鼓具有各种筛网形状，能有效适应各种纸料，在不同情况采用。
图3-39 Ahlwire筛鼓
4)浓料筛浆概念
正常而言，浓料筛选按照初段进入产物不同，经过2段或3段进行的浓料筛浆的段间连接可以是递送型的，也可以是串级型的。鉴于各种情况不同，可以有不同的途径相互连接，挑选最佳的解决方案。
筛渣的排除可以是连续的，也可以是间歇的。由于这种筛浆机的有效功能，最终的筛渣正常时低至100kg／d。
浓料筛浆对浆浓、浆料流量的仪表化控制要有足够重视，否则有可能导致浓料筛浆系统运行的失败。仪表在管理上的失败，引起进入纸机存浆池浆料浓度的波动。而纸机段干扰的防止，主要是纸机存浆池后的条件稳定。
5)最新经验
一家工厂为生产全化浆涂布原纸(见图3-40)，决定投资于浓料筛浆系统代替原来老的流浆箱筛浆机。它原来有2mm的筛孔，现在初段用的是0．15mm筛缝，第二段用的是0．2mm的筛缝，浓料筛浆系统的能力为150t／d，最终筛渣是45kg／d。
图3-40 浓料筛浆系统在纸厂生产全化浆涂布原纸
1997年6月投产后，当天因尘埃而弃掉的损纸不到1kg。在浓料筛浆系统安装前，工厂每周纸机有20～25次断头，安装后只有2～3次断头。图3-41表示在浓料筛浆系统投入前后原纸的尘埃点统计。
图3-41 浓料筛浆系统安装前后卷纸机与纸中尘埃计算个数
总之，浓料筛浆细缝筛技术是近代的一种技术进步，是最新涂布原纸机生产不可缺少的有效设备系统。它比起原来老式的流浆箱稀释筛浆机系统来，可以减少原纸运行中产生的断头；使生产的原纸更加洁净；尘埃显着减少；纸机运行性能优化；除渣器减少堵塞；减少粗浆等。由于原纸机吸水箱上及烘缸上减少了粘着物及塑料堆聚，没有绳絮之类损坏机器，从而减少了原纸机的维修费；另外缝筛打开了纤维絮聚，从而改善了原纸的纤维组织均匀度等等。
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