中試規模氣穴噴射脫墨技術的研發

中試規模氣穴噴射脫墨技術的研發

在廢紙再生利用領域，一種新型的脫墨技術——液體噴射氣穴（fluid-jet cavitation）處理已經問世。其實驗室規模的氣穴噴射設備已經證明，氣穴噴射脫墨技術無需添加脫墨化學品就能夠降低脫墨漿中的油墨和塵埃數量。日本在實驗室試驗的基礎上研發出了中試規模的氣穴噴射脫墨設備，并在一家脫墨漿廠開展了多噴嘴反應器的脫墨效果與脫墨漿濃度之間關系的研究。研究結果表明：疏水性膠體物質，包括微細膠粘物，經氣穴處理后變得更難黏附于疏水表面；和實驗室設備一樣，該中試設備在對纖維損傷最小的同時可降低塵埃斑點和大膠粘物的數量，無需添加脫墨化學品；該中試設備對脫墨漿的連續式氣穴處理和間歇式氣穴處理的效果相近；該中試設備的平行式噴嘴和交叉式噴嘴處理等2種處理模式對塵埃斑點的去除效果與工廠分散設備的效果相近，且二者對大膠粘物的去除效果比工廠分散設備更佳；當脫墨漿的濃度高于3%時，該中試設備的處理效率和運行性能得到顯著改善。

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

眾所周知，液體流送設備中的氣穴會對泵、渦輪、閥門及螺旋槳造成嚴重的損傷。當氣穴氣泡破裂時，會在幾毫米的局部區域產生高達數吉帕（GPa）的壓強。如果大量氣泡在纖維表面附近同時破裂，產生的沖擊力會直接到達纖維表面，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，所以氣泡破裂產生的沖擊力不足以損傷整根纖維；因此，作者研發了一種室內的實驗室規模的氣穴噴射（CV-jet）設備，研究了其在廢紙循環過程中的處理效果。實驗結果證實，氣穴處理減少了塵埃斑點和大膠粘物數量，而不需要脫墨化學品和高溫條件。此外，氣穴處理使得纖維損傷最小化，以減小成紙強度的下降。

將這種氣穴噴射脫墨技術投入工業實際應用時，還需考慮幾個問題。實驗室設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第1款中試規模的氣穴噴射設備。此設備的處理量比實驗室設備大10倍，被處理的脫墨漿濃度更高，能耗也更低。首先研究了中試設備的規格，例如漿料懸浮液適用的漿泵型號、噴嘴尺寸和排列方式及反應器的構造等；其次檢驗了設備去除塵埃和大膠粘物的性能；最后評估了設備的運轉連續性和壽命。

1　實驗

1.1實驗室規模的氣穴噴射設備

圖1是實驗室設備的示意圖（圖中，“PI”為壓力計，“TI”為溫度傳感器）。

圖1　實驗室氣穴噴射設備示意圖

如圖1所示，實驗利用柱塞泵將貯液罐中的漿料懸浮液加壓至13 MPa，然后在反應器內噴射出來。噴嘴的噴口直徑為1.5 mm，氣穴氣泡在噴嘴附近產生。當上游壓力為7 MPa時，噴射速度約為70 m/s。利用反應器內的壓差來控制氣穴噴射的區域和強度。

1.2有效氣穴區域的估計

為確定中試氣穴噴射設備的規格，如適配的噴嘴（單個大噴嘴及小型多噴嘴）及反應器的構造，進行試樣測試來確定有效氣穴區域。由于反應器內具有高壓，反應器和其他管道的腐蝕可被忽略。測試中將印有油墨線的金屬棒放入實驗室設備的反應器內，改變噴嘴噴口到金屬棒的距離，檢測各種條件下的油墨分離面積以確定氣穴面積的尺寸。檢驗了上游壓力分別為5 MPa和7 MPa、噴口直徑分別為1.2 mm和2 mm時設備規格對試驗結果的影響。

1.3中試規模的氣穴噴射設備的設計和制造

中試規模的氣穴噴射設備對漿料的處理量比實驗室設備大10倍，且具有多個噴嘴。設計反應器時考慮了2種噴嘴排列方式：平行式及交叉式。反應器的形狀和尺寸根據實驗室設備所獲得氣穴區域的最小尺寸來確定。

1.4中試設備的性能測試

中試設備安裝在日本一家造紙廠的新聞紙機上，該廠對舊新聞紙（ONP）及舊雜志紙（OMG）進行脫墨處理。漿料從凈化器出口或分散設備之前使用增稠劑的盤式過濾機流出，利用該中試設備對漿料在室溫下進行處理并且不使用脫墨化學品。漿料經過凈化器后的濃度約為1%，經過盤式過濾機后變為3.4%～3.8%。考察了漿料濃度、間歇處理和連續處理、平行式和交叉式氣穴處理及上游壓力對塵埃和大膠粘物去除效果的影響，并和工廠分散設備出口處的漿料作比較。對于間歇式處理，當上游壓力為7 MPa時處理過程的周轉（即纖維通過噴嘴的循環過程）時間約為8 min，因此周轉率分別為1、3和5次時，相應的處理時間分別為8、24和40 min。實驗檢驗了該中試設備在延期操作中的穩定性和壽命。

在氣穴處理前后對漿料試樣進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準手抄片。利用掃描儀對手抄片進行塵埃度測定，將面積大于0.5 mm2的顆粒算作塵埃斑點，計算其數量；并分別采用色度計和顏色觸摸儀測量手抄片的ISO白度和殘余油墨值。

膠粘物的含量是通過由TAPPI標準T 277pm-99《漿料中大膠粘物的含量檢測》改良的方法——篩選法檢測的。檢測結果為平行試樣的平均值。大膠粘物的數量和總面積通過計數粒徑大于100 μm的顆粒獲得。利用石英晶體微天平（QCM）檢測大膠粘物在內的疏水性膠體物質的沉積。漿料試樣經過500目（開口25 μm）的篩過濾，立即將濾液加入QCM中，監測膠粘物在傳感器表面的沉積或吸附所導致的頻率變化。由于實驗前QCM傳感器表面的包覆層為疏水性聚苯乙烯，因此用它能夠檢測微細膠粘物等疏水性膠體物質。

2　結果與討論

2.1有效氣穴面積的計算

圖2　油墨分離過程中上游壓力與噴口直徑對有效氣穴區域的影響

由圖2（a）可見：當噴口直徑為1.2 mm，上游壓力為5 MPa時，有效氣穴區域的形狀像蠟燭火焰；上游壓力從5 MPa增至7 MPa時，有效氣穴區域的長度將變大。由圖2（b）可見：使用噴口直徑為2 mm的噴嘴時，有效氣穴區域的半徑增大，其形狀為雙錐形（即2個圓形區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，雙錐形有效氣穴面積最大，其直徑為45 mm，長度為45 mm。

2.2中試氣穴設備的設計與制造試氣穴設備的布局，用以測試平行模式和交叉模式氣穴處理的作用效果。

圖3　反應器的構造和噴嘴排列方式以及中試氣穴設備的布局

圖3示意了反應器的構造與噴嘴排列方式（左圖）及中試氣穴設備（右圖）。平行模式：反應器頂部的4個噴嘴打開，通往交叉噴嘴的管線關閉。交叉模式：反應器邊側面的4～16個噴嘴打開。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域的最大直徑為45 mm，裝備4個直徑為100 mm的平行噴嘴的反應器。反應器軸向分布有4個按45°交叉角排列的噴嘴單元。4個噴嘴單元組成了反應器的側面。將漿料懸浮液引入貯液罐，將其加壓后經平行式或交叉式噴嘴注入反應器內。氣穴強度由上游壓力P1和下游壓力P2控制。該設備可以按間歇處理或連續處理方式運行。

2.3利用中試氣穴設備對脫墨漿進行間歇式處理

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

由圖4可見：脫墨漿經中試氣穴處理后短時間內降低了塵埃數量，然后作用效果趨于穩定，同時也降低了大膠粘物數量；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生的方式不同所導致的。

圖4　脫墨漿經中試氣穴設備處理后其塵埃含量

由于氣穴處理降低了大膠粘物的數量，因而認為微細膠粘物的數量會上升。先前的研究發現，氣穴處理能夠碎裂大膠粘物并且改變膠粘物的性質。膠體物質，包括微細膠粘物，在氣穴處理后疏水性降低，或者說其親水性增強。利用QCM測試方法估計了微細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變化（相關百分比通過不經氣穴處理與氣穴處理之后的Δf值計算可得；氣穴處理條件與圖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變化

由圖5表明，氣穴處理過程中△f在24 min時降低50%，然后增長至約70%。漿濃對△f的影響不大。可以確定，膠粘物經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（氣穴處理條件與圖4相同）。

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

2.4利用中試氣穴設備對脫墨漿進行連續式處理

中試進一步確定了連續式處理的作用效果。該研究采用直徑為2 mm的平行式噴嘴，連續式處理（即單通道處理）的結果見圖7（處理的脫墨漿濃度為3.3%，氣穴處理條件與圖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。中試做了數次測試，并與工廠分散設備做了比較，其對塵埃數量的降低效果見圖8（氣穴處理中的漿料濃度為3.4%～3.8%；漿料僅通過設備1次；除升流式壓力為5 MPa時平行噴嘴的測試處理2次外，其他均處理4次；采用連續式處理，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數量降低約40%。另一方面，交叉式處理可使塵埃斑點數量降低約60%，其處理效果和工廠分散設備基本相同。因此交叉式處理方法對于塵埃數量降低的作用效果要優于平行式處理。

圖9展示了2種處理方法降低大膠粘物數量的作用效果（處理條件與圖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，處理結果的差異很大。

圖7　氣穴處理對大膠粘物數量（a）、總面積（b）及平均尺寸（c）的影響

2.6中試設備的能耗及其他

中試規模的氣穴噴射設備可處理濃度高達3.8%的脫墨漿，最大處理量為4.5 t/d。從實驗結果計算可得，上游壓力為7 MPa時氣穴處理的比能耗約為70 kW·h/t。和常規的揉搓機和分散設備相比，中試設備的能耗相對較高（前者約為20～70 kW·h/t）；然而，中試設備的能耗較實驗室設備及液哨（liquid whistle）預處理有顯著降低，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條件下減少塵埃效果的比較

圖9　不同氣穴處理方式與處理條件下去除大膠粘物效果的比較

中試規模的氣穴噴射設備連續運行測試時間超過24 h，沒有發生導致停機的重大故障。反應器在運行超過500 h后無明顯腐蝕和磨損，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　結論

成功設計和研發了第1款中試規模的氣穴噴射設備。和實驗室設備一樣，該中試設備可減少塵埃斑點和大膠粘物的數量。疏水性膠體物質，包括微細膠粘物在經氣穴處理后，變得更難黏附于疏水性表面。連續式氣穴處理和間歇式氣穴處理的結果類似。該中試設備具有2種處理模式，即平行式噴嘴和交叉式噴嘴處理模式，二者對塵埃斑點的去除效果與工廠分散設備的效果相近，且二者對大膠粘物的去除效果比工廠分散設備更佳。當脫墨漿的濃度高于3%時，該設備的處理效率和運行性能得到顯著改善。本研究對氣穴處理的實際應用具有巨大的推動作用。

（申正會編譯）