中試規(guī)模氣穴噴射脫墨技術(shù)的研發(fā)

在廢紙?jiān)偕妙I(lǐng)域，一種新型的脫墨技術(shù)——液體噴射氣穴（fluid-jet cavitation）處理已經(jīng)問世。其實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的氣穴噴射設(shè)備已經(jīng)證明，氣穴噴射脫墨技術(shù)無(wú)需添加脫墨化學(xué)品就能夠降低脫墨漿中的油墨和塵埃數(shù)量。日本在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研發(fā)出了中試規(guī)模的氣穴噴射脫墨設(shè)備，并在一家脫墨漿廠開展了多噴嘴反應(yīng)器的脫墨效果與脫墨漿濃度之間關(guān)系的研究。研究結(jié)果表明：疏水性膠體物質(zhì)，包括微細(xì)膠粘物，經(jīng)氣穴處理后變得更難黏附于疏水表面；和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備一樣，該中試設(shè)備在對(duì)纖維損傷最小的同時(shí)可降低塵埃斑點(diǎn)和大膠粘物的數(shù)量，無(wú)需添加脫墨化學(xué)品；該中試設(shè)備對(duì)脫墨漿的連續(xù)式氣穴處理和間歇式氣穴處理的效果相近；該中試設(shè)備的平行式噴嘴和交叉式噴嘴處理等2種處理模式對(duì)塵埃斑點(diǎn)的去除效果與工廠分散設(shè)備的效果相近，且二者對(duì)大膠粘物的去除效果比工廠分散設(shè)備更佳；當(dāng)脫墨漿的濃度高于3%時(shí)，該中試設(shè)備的處理效率和運(yùn)行性能得到顯著改善。

用于印刷和書寫等級(jí)的二次纖維要求高白度和極低塵埃度。生產(chǎn)此類高品質(zhì)產(chǎn)品的脫墨漿需要高速分散設(shè)備及低速揉搓機(jī)，或二者配套使用，以促進(jìn)油墨分離和塵埃破碎；然而這些設(shè)備的使用也有不良后果，例如紙漿纖維碎片和細(xì)小纖維增多，導(dǎo)致紙張強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性損失；因此，利用常規(guī)脫墨設(shè)備來獲得高品質(zhì)脫墨漿又不損傷纖維及不降低紙張強(qiáng)度是很困難的。

眾所周知，液體流送設(shè)備中的氣穴會(huì)對(duì)泵、渦輪、閥門及螺旋槳造成嚴(yán)重的損傷。當(dāng)氣穴氣泡破裂時(shí)，會(huì)在幾毫米的局部區(qū)域產(chǎn)生高達(dá)數(shù)吉帕（GPa）的壓強(qiáng)。如果大量氣泡在纖維表面附近同時(shí)破裂，產(chǎn)生的沖擊力會(huì)直接到達(dá)纖維表面，將其表面黏附的油墨分離并破碎。和纖維相比，氣泡的尺寸很小，所以氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊力不足以損傷整根纖維；因此，作者研發(fā)了一種室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的氣穴噴射（CV-jet）設(shè)備，研究了其在廢紙循環(huán)過程中的處理效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，氣穴處理減少了塵埃斑點(diǎn)和大膠粘物數(shù)量，而不需要脫墨化學(xué)品和高溫條件。此外，氣穴處理使得纖維損傷最小化，以減小成紙強(qiáng)度的下降。

將這種氣穴噴射脫墨技術(shù)投入工業(yè)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需考慮幾個(gè)問題。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的缺陷是泵送量低，漿料處理濃度低，比能耗高；因此，本研究的目的是研發(fā)第1款中試規(guī)模的氣穴噴射設(shè)備。此設(shè)備的處理量比實(shí)驗(yàn)室設(shè)備大10倍，被處理的脫墨漿濃度更高，能耗也更低。首先研究了中試設(shè)備的規(guī)格，例如漿料懸浮液適用的漿泵型號(hào)、噴嘴尺寸和排列方式及反應(yīng)器的構(gòu)造等；其次檢驗(yàn)了設(shè)備去除塵埃和大膠粘物的性能；最后評(píng)估了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)性和壽命。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的氣穴噴射設(shè)備

圖1是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的示意圖（圖中，“PI”為壓力計(jì)，“TI”為溫度傳感器）。

圖1　實(shí)驗(yàn)室氣穴噴射設(shè)備示意圖

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)利用柱塞泵將貯液罐中的漿料懸浮液加壓至13 MPa，然后在反應(yīng)器內(nèi)噴射出來。噴嘴的噴口直徑為1.5 mm，氣穴氣泡在噴嘴附近產(chǎn)生。當(dāng)上游壓力為7 MPa時(shí)，噴射速度約為70 m/s。利用反應(yīng)器內(nèi)的壓差來控制氣穴噴射的區(qū)域和強(qiáng)度。

1.2有效氣穴區(qū)域的估計(jì)

為確定中試氣穴噴射設(shè)備的規(guī)格，如適配的噴嘴（單個(gè)大噴嘴及小型多噴嘴）及反應(yīng)器的構(gòu)造，進(jìn)行試樣測(cè)試來確定有效氣穴區(qū)域。由于反應(yīng)器內(nèi)具有高壓，反應(yīng)器和其他管道的腐蝕可被忽略。測(cè)試中將印有油墨線的金屬棒放入實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的反應(yīng)器內(nèi)，改變噴嘴噴口到金屬棒的距離，檢測(cè)各種條件下的油墨分離面積以確定氣穴面積的尺寸。檢驗(yàn)了上游壓力分別為5 MPa和7 MPa、噴口直徑分別為1.2 mm和2 mm時(shí)設(shè)備規(guī)格對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.3中試規(guī)模的氣穴噴射設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造

中試規(guī)模的氣穴噴射設(shè)備對(duì)漿料的處理量比實(shí)驗(yàn)室設(shè)備大10倍，且具有多個(gè)噴嘴。設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)考慮了2種噴嘴排列方式：平行式及交叉式。反應(yīng)器的形狀和尺寸根據(jù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備所獲得氣穴區(qū)域的最小尺寸來確定。

1.4中試設(shè)備的性能測(cè)試

中試設(shè)備安裝在日本一家造紙廠的新聞紙機(jī)上，該廠對(duì)舊新聞紙（ONP）及舊雜志紙（OMG）進(jìn)行脫墨處理。漿料從凈化器出口或分散設(shè)備之前使用增稠劑的盤式過濾機(jī)流出，利用該中試設(shè)備對(duì)漿料在室溫下進(jìn)行處理并且不使用脫墨化學(xué)品。漿料經(jīng)過凈化器后的濃度約為1%，經(jīng)過盤式過濾機(jī)后變?yōu)?.4%～3.8%。考察了漿料濃度、間歇處理和連續(xù)處理、平行式和交叉式氣穴處理及上游壓力對(duì)塵埃和大膠粘物去除效果的影響，并和工廠分散設(shè)備出口處的漿料作比較。對(duì)于間歇式處理，當(dāng)上游壓力為7 MPa時(shí)處理過程的周轉(zhuǎn)（即纖維通過噴嘴的循環(huán)過程）時(shí)間約為8 min，因此周轉(zhuǎn)率分別為1、3和5次時(shí)，相應(yīng)的處理時(shí)間分別為8、24和40 min。實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了該中試設(shè)備在延期操作中的穩(wěn)定性和壽命。

在氣穴處理前后對(duì)漿料試樣進(jìn)行充分洗滌以去除其中黏附的油墨，然后利用此漿料抄制標(biāo)準(zhǔn)手抄片。利用掃描儀對(duì)手抄片進(jìn)行塵埃度測(cè)定，將面積大于0.5 mm2的顆粒算作塵埃斑點(diǎn)，計(jì)算其數(shù)量；并分別采用色度計(jì)和顏色觸摸儀測(cè)量手抄片的ISO白度和殘余油墨值。

膠粘物的含量是通過由TAPPI標(biāo)準(zhǔn)T 277pm-99《漿料中大膠粘物的含量檢測(cè)》改良的方法——篩選法檢測(cè)的。檢測(cè)結(jié)果為平行試樣的平均值。大膠粘物的數(shù)量和總面積通過計(jì)數(shù)粒徑大于100 μm的顆粒獲得。利用石英晶體微天平（QCM）檢測(cè)大膠粘物在內(nèi)的疏水性膠體物質(zhì)的沉積。漿料試樣經(jīng)過500目（開口25 μm）的篩過濾，立即將濾液加入QCM中，監(jiān)測(cè)膠粘物在傳感器表面的沉積或吸附所導(dǎo)致的頻率變化。由于實(shí)驗(yàn)前QCM傳感器表面的包覆層為疏水性聚苯乙烯，因此用它能夠檢測(cè)微細(xì)膠粘物等疏水性膠體物質(zhì)。

2　結(jié)果與討論

2.1有效氣穴面積的計(jì)算

圖2　油墨分離過程中上游壓力與噴口直徑對(duì)有效氣穴區(qū)域的影響

由圖2（a）可見：當(dāng)噴口直徑為1.2 mm，上游壓力為5 MPa時(shí)，有效氣穴區(qū)域的形狀像蠟燭火焰；上游壓力從5 MPa增至7 MPa時(shí)，有效氣穴區(qū)域的長(zhǎng)度將變大。由圖2（b）可見：使用噴口直徑為2 mm的噴嘴時(shí)，有效氣穴區(qū)域的半徑增大，其形狀為雙錐形（即2個(gè)圓形區(qū)域底部重合組成幾何形狀）；噴嘴的噴口直徑為2 mm，上游壓力為7 MPa時(shí)，雙錐形有效氣穴面積最大，其直徑為45 mm，長(zhǎng)度為45 mm。

2.2中試氣穴設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造試氣穴設(shè)備的布局，用以測(cè)試平行模式和交叉模式氣穴處理的作用效果。

圖3　反應(yīng)器的構(gòu)造和噴嘴排列方式以及中試氣穴設(shè)備的布局

圖3示意了反應(yīng)器的構(gòu)造與噴嘴排列方式（左圖）及中試氣穴設(shè)備（右圖）。平行模式：反應(yīng)器頂部的4個(gè)噴嘴打開，通往交叉噴嘴的管線關(guān)閉。交叉模式：反應(yīng)器邊側(cè)面的4～16個(gè)噴嘴打開。柱塞泵的處理量為5 m3/h，最大壓力為9 MPa。

由于噴嘴形成的氣穴區(qū)域的最大直徑為45 mm，裝備4個(gè)直徑為100 mm的平行噴嘴的反應(yīng)器。反應(yīng)器軸向分布有4個(gè)按45°交叉角排列的噴嘴單元。4個(gè)噴嘴單元組成了反應(yīng)器的側(cè)面。將漿料懸浮液引入貯液罐，將其加壓后經(jīng)平行式或交叉式噴嘴注入反應(yīng)器內(nèi)。氣穴強(qiáng)度由上游壓力P1和下游壓力P2控制。該設(shè)備可以按間歇處理或連續(xù)處理方式運(yùn)行。

2.3利用中試氣穴設(shè)備對(duì)脫墨漿進(jìn)行間歇式處理

漿濃是降低處理過程比能耗的重要影響因素；因此，采用中試氣穴設(shè)備處理了從預(yù)擠壓機(jī)出口處濃度為3%的脫墨漿。設(shè)備采用平行式噴嘴，噴口直徑為2 mm，上游壓力為7 MPa，下游壓力為0.1 MPa。實(shí)驗(yàn)還對(duì)經(jīng)過凈化器之后的濃度約為1%的脫墨漿處理并進(jìn)行對(duì)比。圖4顯示了脫墨漿經(jīng)上述2種情況處理后其塵埃數(shù)量［圖4（a）］和大膠粘物數(shù)量［圖4（b）］的變化情況比較。

由圖4可見：脫墨漿經(jīng)中試氣穴處理后短時(shí)間內(nèi)降低了塵埃數(shù)量，然后作用效果趨于穩(wěn)定，同時(shí)也降低了大膠粘物數(shù)量；3%漿濃下的氣穴處理效果與1%漿濃下的氣穴處理效果相近。二者之間的差別可能是由氣穴氣泡產(chǎn)生的方式不同所導(dǎo)致的。

圖4　脫墨漿經(jīng)中試氣穴設(shè)備處理后其塵埃含量

由于氣穴處理降低了大膠粘物的數(shù)量，因而認(rèn)為微細(xì)膠粘物的數(shù)量會(huì)上升。先前的研究發(fā)現(xiàn)，氣穴處理能夠碎裂大膠粘物并且改變膠粘物的性質(zhì)。膠體物質(zhì)，包括微細(xì)膠粘物，在氣穴處理后疏水性降低，或者說其親水性增強(qiáng)。利用QCM測(cè)試方法估計(jì)了微細(xì)膠粘物沉積的可能性。

圖5顯示了氣穴處理后石英晶體微天平與試樣共振頻率的相對(duì)變化（相關(guān)百分比通過不經(jīng)氣穴處理與氣穴處理之后的Δf值計(jì)算可得；氣穴處理?xiàng)l件與圖4相同）。

圖5　氣穴處理后石英晶體微天平與試樣共振頻率的相對(duì)變化

由圖5表明，氣穴處理過程中△f在24 min時(shí)降低50%，然后增長(zhǎng)至約70%。漿濃對(duì)△f的影響不大。可以確定，膠粘物經(jīng)氣穴處理后不易黏附在疏水性傳感器表面上。

圖6顯示了充分洗滌的脫墨漿在氣穴處理前后白度［圖6（a）］和殘余油墨值［圖6（b）］的變化情況（氣穴處理?xiàng)l件與圖4相同）。

由圖6可見，濃度為1%的漿料經(jīng)氣穴處理后白度升高，而濃度為3%的漿料經(jīng)氣穴處理后白度幾乎不變。濃度為1%和3%的漿料經(jīng)氣穴處理后殘余油墨值有相似幅度的下降。以上結(jié)果證明，氣穴處理可將油墨從纖維上剝離下來。漿濃對(duì)白度影響的差別可能是分散性油墨的內(nèi)腔填充或沉淀導(dǎo)致的。

2.4利用中試氣穴設(shè)備對(duì)脫墨漿進(jìn)行連續(xù)式處理

中試進(jìn)一步確定了連續(xù)式處理的作用效果。該研究采用直徑為2 mm的平行式噴嘴，連續(xù)式處理（即單通道處理）的結(jié)果見圖7（處理的脫墨漿濃度為3.3%，氣穴處理?xiàng)l件與圖4相同）。

由圖7可見，上游壓力和下游壓力分別為7 MPa和0.1 MPa的氣穴處理降低了大膠粘物的面積和平均尺寸。

2.5平行式處理和交叉式處理的比較

圖6　充分洗滌的脫墨漿在氣穴處理前后白度（a）和殘余油墨值（b）的變化情況

2種氣穴處理方式均采用噴口直徑為2 mm的平行式噴嘴或交叉式噴嘴。中試做了數(shù)次測(cè)試，并與工廠分散設(shè)備做了比較，其對(duì)塵埃數(shù)量的降低效果見圖8（氣穴處理中的漿料濃度為3.4%～3.8%；漿料僅通過設(shè)備1次；除升流式壓力為5 MPa時(shí)平行噴嘴的測(cè)試處理2次外，其他均處理4次；采用連續(xù)式處理，即單通道處理）。

由圖8可見，升流式壓力分別為5 MPa和7 MPa的平行式處理均可使塵埃斑點(diǎn)數(shù)量降低約40%。另一方面，交叉式處理可使塵埃斑點(diǎn)數(shù)量降低約60%，其處理效果和工廠分散設(shè)備基本相同。因此交叉式處理方法對(duì)于塵埃數(shù)量降低的作用效果要優(yōu)于平行式處理。

圖9展示了2種處理方法降低大膠粘物數(shù)量的作用效果（處理?xiàng)l件與圖8相同）。

由圖9可見：上游壓力為5 MPa的平行式處理方法對(duì)大膠粘物的去除效果最佳；上游壓力為7 MPa的平行式處理方法時(shí)處理效果的差別不大；分散處理后的大膠粘物減少量較氣穴處理后的減少量低得多，處理結(jié)果的差異很大。

圖7　氣穴處理對(duì)大膠粘物數(shù)量（a）、總面積（b）及平均尺寸（c）的影響

2.6中試設(shè)備的能耗及其他

中試規(guī)模的氣穴噴射設(shè)備可處理濃度高達(dá)3.8%的脫墨漿，最大處理量為4.5 t/d。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可得，上游壓力為7 MPa時(shí)氣穴處理的比能耗約為70 kW·h/t。和常規(guī)的揉搓機(jī)和分散設(shè)備相比，中試設(shè)備的能耗相對(duì)較高（前者約為20～70 kW·h/t）；然而，中試設(shè)備的能耗較實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及液哨（liquid whistle）預(yù)處理有顯著降低，分別降低400 kW·h/t和2 120 kW·h/t。

圖8　不同氣穴處理方式與處理?xiàng)l件下減少塵埃效果的比較

圖9　不同氣穴處理方式與處理?xiàng)l件下去除大膠粘物效果的比較

中試規(guī)模的氣穴噴射設(shè)備連續(xù)運(yùn)行測(cè)試時(shí)間超過24 h，沒有發(fā)生導(dǎo)致停機(jī)的重大故障。反應(yīng)器在運(yùn)行超過500 h后無(wú)明顯腐蝕和磨損，只有一些噴嘴的末端受到輕微磨損，這可以通過選擇合適的加工材料加以避免。

3　結(jié)論

成功設(shè)計(jì)和研發(fā)了第1款中試規(guī)模的氣穴噴射設(shè)備。和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備一樣，該中試設(shè)備可減少塵埃斑點(diǎn)和大膠粘物的數(shù)量。疏水性膠體物質(zhì)，包括微細(xì)膠粘物在經(jīng)氣穴處理后，變得更難黏附于疏水性表面。連續(xù)式氣穴處理和間歇式氣穴處理的結(jié)果類似。該中試設(shè)備具有2種處理模式，即平行式噴嘴和交叉式噴嘴處理模式，二者對(duì)塵埃斑點(diǎn)的去除效果與工廠分散設(shè)備的效果相近，且二者對(duì)大膠粘物的去除效果比工廠分散設(shè)備更佳。當(dāng)脫墨漿的濃度高于3%時(shí)，該設(shè)備的處理效率和運(yùn)行性能得到顯著改善。本研究對(duì)氣穴處理的實(shí)際應(yīng)用具有巨大的推動(dòng)作用。

（申正會(huì)編譯）