Получение термодефибрерной массы

При повышении температуры дефибрирования (за счет изменения температуры спрысковой воды или повышения концентрации массы в ванне, притупления поверхности дефибрерного камня и т.п.) происходит улучшение показателей механической прочности получаемого полуфабриката. Однако в процессе дефибрирования при атмосферном давлении увеличение температуры вышеуказанными способами приводит к перегреву в зоне дефибрирования, подгоранию волокон и поверхности камня, а также неравномерной нагрузке на двигатель.

При использовании цепных дефибреров невозможно создать давление в шахте без серьезных изменений в конструкции. В 1984-1985 гг. фирма “Voith” разработала процесс термодефибрирования (ТДМ).

С 1985 г. этот процесс внедряют на предприятиях, сохранивших производство ДДМ на цепных дефибрерах. Процесс осуществляется главным образом на действующем оборудовании по производству ДДМ – цепных дефибрерах, прошедших предварительную реконструкцию.

Основным требованием к процессу термодефибрирования является строгий контроль температуры в зоне дефибрирования и поддержание ее на определенном уровне, способствующем процессу разделения древесины на волокна. На рис. 9 представлены схемы процессов обычного дефибрирования (ДДМ), дефибрирования под давлением (ДМД) и термодефибрирования (ТДМ).

Температура в зоне дефибрирования распределена неравномерно. При входе поверхности камня в зону дефибрирования температура ниже, при выходе выше.

Различают три основных случая распределения температуры в зоне дефибрирования: 1) температура ниже температуры кипения по длине всей зоны дефибрирования; 2) температура достигает точки кипения в конце зоны; 3) точка кипения находится внутри зоны дефибрирования.

При достижении температуры кипения жидкости в зоне дефибрирования создаются неблагоприятные условия, которые препятствуют нормальной работе дефибрера: ход дефибрера становится неравномерным и расход энергии на дефибрирование повышается. Поэтому в случае, когда температура в зоне дефибрирования ниже температуры кипения по длине всей зоны дефибрирования, и в случае, когда точка кипения находится внутри зоны дефибрирования, не обеспечивается получение массы высокого качества при оптимальном съеме массы с дефибрерного камня.

Рис. 9. Схемы процессов дефибрирования: а - обыч­ного (атмосферное давление, локальный нагрев, испа­рение воды); б - под давлением (закрытая шахта, из­быточное давление 0,2...0,5 МПа); в - термодефибри­рования (слой воды 20-50 см над зоной дефибрирова­ния)

Цель перевода процесса дефибрирования в режим термодефибрирования заключается в достижении постоянных условий дефибрирования, соответствующих случаю, когда температура в зоне дефибрирования достигает точки кипения в конце зоны. Эта цель достигается установкой системы автоматического контроля и регулирования температуры массы и оборотной воды (в ванне, в линии оборотной воды) и созданием определенного уровня подпора жидкости над зоной дефибрирования путем оснащения дефибрера дополнительными узлами уплотнения шахты у дефибрерного камня.

Для уплотнения шахты обычные металлические гребенки заменяются на специальные пластины для удержания жидкости в зоне дефибрирования. За счет уплотнения шахты и дополнительной подачи спрысковой воды в шахту дефибрера над поверхностью камня в процессе дефибрирования образуется слой воды высотой 200 – 500 мм. Этот слой воды конденсирует пары, образующиеся в процессе дефибрирования, и тем самым снижает потери избыточного тепла.

Система автоматического регулирования поддерживает в конце зоны дефибрирования температуру, равную 100 ºС. В качестве входных параметров система использует УРЭ и температуру в ванне. Одновременное изменение показателей УРЭ и температуры позволяет определить, чем вызвано изменение УРЭ: повышением температуры в зоне дефибрирования или неравномерной загрузкой баланса в шахту дефибрера. Общее количество воды, подаваемой на дефибрер, остается постоянным. Если подается более холодная оборотная вода, то соответственно сокращается расход теплой оборотной воды, тем самым устраняются колебания концентрации массы в ванне дефибрера.

Использование автоматического регулирования увеличивает интервалы между насечками камня и повышает качество получаемого полуфабриката.

Масса, полученная в процессе термодефибрирования, по сравнению с традиционной ДДМ обладает повышенными показателями механической прочности при одном и том же значении УРЭ. Повышение показателей механической прочности связано с повышением температуры в зоне дефибрирования и более стабильным режимом дефибрирования.

Получение дефибрерной древесной массы методом

Дефибрирования под давлением (ДМД)

Процесс производства ДМД разработан финской фирмой '"Тампелла". Промышленное внедрение процесса началось в 1980 г. В настоящее время способ получения ДМД применяется на более чем 20 предприятиях в Финляндии, Швеции, Австрии, Германии, Японии, США, ЮАР. Эксплуатируется более 100 дефибреров для производства ДМД. Объем производства ДМД - более 2,5 млн. тонн в год.

Высокий выход ДМД (95 %), относительно низкий удельный расход энергии (при рекуперации тепла ≈ 1000 кВт·ч/т) и более высокие, чем ДДМ показатели механической прочности обеспечивают низкую себестоимость и широкое применение данного полуфабри­ката в композиции бумаги для печати (в том числе газетной и обой­ной бумаги)и, возможно, в композиции бумаги санитарно-бытового назначения, а также и в некоторых видах картона.

Анализ работы установокпо производству ДМД, исследователь­ские и опытно-промышленные работы, проводимые фирмой "Тампелла", по совершенствованию метода производства полуфабрикатов высокого выхода позволяют отметить его основные преимущества:

- более высокие, по сравнению с ДДМ, показатели механической прочности ДМД;

- оптические и печатные свойства, а также выход ДДМ и ДМД мало отличаются;

- удельный расход энергии при производстве ДМД значительно ниже, чем при производстве ТММ/ХТММ, а при рекуперации тепла, образующегося при производстве ДМД, удельный расход энергии может быть ниже, чем при производстве ДДМ;

- метод дефибрирования под давлением можно успешно использо­вать при переработке древесины осины в волокнистый полуфабрикат;

- при получении ДМД можно полностью автоматизировать процесс получения полуфабриката и уменьшить численность обслуживающего персонала;

- более высокая стоимость оборудования для производства ДМД в сравнении с ДДМ окупается за счет снижения содержания целлю­лозы в композиции бумаги, повышения качества бумаги и увеличения срока службы оборудования;

- дальнейшее совершенствование технологии ДМД и разработка способа получения дефибрерной механической (древесной) массы при более высоких температуре и давлении (ДМД-С) позволяет улучшить качество полуфабриката.

В настоящее время вырабатывается 8 разновидностей ДМД.

Особенность процесса получения ДМД заключается в том, что оптимальная температура в зоне между волокном и истирающей поверхностью, равной 1мм, может составлять I35 – I40 °C.

Повышенная температура, достигаемая в процессе дефибрирования под давлением, способствует лучшему размягчению лигнина срединной пластинки. Лигнин из нативного состояния переходит в вязкопластичное.

При повышении температуры (выше 100 ºС) структура волокна размягчается и волокно воспринимает нагрузку по-иному. Разрыв волокон в поперечном направлении минимален, волокна отделяются друг от друга в срединной пластинке благодаря силе раскручивания (торсионной). Слой S₂ может быть вскрыт и образовывать материал, состоящий из лентообразных фибрилл. Помимо частиц из лентообразных фибрилл отмечается большое количество цельных волокон.

При температуре в зоне обработки 170 °С лигнин размягчается настолько, что срединная пластинка легко разделяется, оставляя волокна с гладким стекловидным покрытием из лигноподобного вещества. Полученные волокна имеют низкую способность к связеобразованию, но сохраняют свою длину.

В отличие от обычного процесса дефибрирования, который осу­ществляется только на дефибрере, дефибрирование под давлением производится на комплексной установке (рис. 10), включающей: двухпрессовый дефибрер, работающий при повышенном давлении; измельчитель щепок; циклон для сброса давления и отделения, пара от массы; сгуститель для сгущения массы и отделения горячей воды, возвращаемой на спрыски дефибрера.

Процесс дефибрирования под давлением осуществляется по следующей технологической схеме (рис.10).

Рис. 10. Технологическая схема производства ДМД : 1-двухпрессовый дефибрер;

2 – измельчитель щепок; 3- циклон-сепаратор; 4-сгуститель

Подготовленные балансы поступают в камеру выравнивания прессового дефибрера.

Дефибрирование древесины производится под давлением 0,2÷0,4 МПа при температуре 120 – 125 °С, концентрации массы в ванне около 1,5 % и при температуре оборотной воды 95 – 98 ºС. Температура при дефибрировании ниже температуры кипения воды, что снижает ее испарение в структуре древесины, поступающей на дефибрирование, и положительно влияет на качество ДМ.

Из ванны дефибрера масса под давлением поступает в измельчитель щепок, где при наличии щепок происходит их измельчение.

Измельчитель щепок - молотковая мельница - работает под давлением. (Данная операция необходима не только для переработки отходов и облегчения отделения пара, но и для защиты от засорения контрольного сдувочного клапана, поддерживающего постоянный уровень массы в трубопроводе перед молотковой мельницей).

Затем масса через контрольный клапан выдувки поступает в циклон-сепаратор (гидроциклон). С помощью клапана выдувки поддерживается необходимый уровень массы в измельчителе щепы. При прохождении через клапан давление понижается до атмосферного. Пар, образующийся при мгновенном вскипании горячей массы, отделяется в гидроциклоне. Таким образом, образовавшееся в процессе дефибрирования лишнее тепло удаляется с паром из циклона после сброса давления через клапан выдувки.

Масса при низкой концентрации (1,5 %) после гидроциклона направляется в напорный сгуститель, где при избыточном давлении от нее отделяетсягорячая вода (температура 90 – 95 °С) и масса сгущаетсядо концентрации 10 – 15 %. Горячая вода возвращается на спрыски дефибрера для очистки дефибрерных камней и регулирования концентрации массы в ванне. Установки для дефибрирования под давлением полностью обеспечены горячей водой. Таким образомсоздается "горячий" контур.

После сгущения масса разбавляется до концентрации 1% ипоступает на сортирование. При разбавлении используется вода второй ступени сгущения и оборотная вода бумагоделательной машины.

Отсортированная масса поступает на дисковый сгуститель для окончательного сгущения, а отходы сортирования направляются на сгущение и дополнительный размол, после чего смешиваются с сортированной массой.

Дефибрирование под давлением проводится в настоящее время на двухпрессовых дефибрерах специальной конструкции, разработанных на основе обычного прессового дефибрера. Дефибрер, работающий под давлением, полностью герметизирован. Балансы подаются в дефибрер через камеры выравнивания давления, а масса выводится из дефибрера по трубе. В остальном принцип действия дефибрера, работающего поддавлением, аналогичен обычным прессовым дефибрерам (рис. 11).

В связи с тем, что дефибрер, работающий под давлением, должен выдерживать значительно большее давление (до 3 кГс/см² ), чем обычный дефибрер, корпус его выполнен сварным из листовой стали. К принципиальным особенностям конструкции дефибрера, работающего под давлением, следует отнести наличие камеры выравнивания давления и уплотнительных устройств (дополнительная заслонка для выпуска древесины). Герметизация заслонок позволяет использовать камеру подачи для выравнивания давления при поступлении древесины в дефибрер и поддерживать постоянное давление внутри дефибрера.

Рис. 11. Двухпрессовый дефибрер фирмы “Valmet”, работающий под давлением: 1 - загрузочная камера; 2 - аппарат для насечки камня; 3 - крышка загрузочной камеры; 4 - загрузочный люк; 5 - крышка; 6 - башмак; 7 - прижимной цилиндр; 8 - выход массы; 9 - фундамент; 10 - дефибрерный камень; 11 - ванна для массы

Все детали и узлы дефибрера, соприкасающиеся с массой (вал, спрыски, гребенки, устройство для ковки, шаберы прессовой коробки и т.д.), изготовленыиз кислотостойкой стали.

Все соединения внутри дефибрера герметизированы.

Загрузка балансов осуществляется с помощью автоматизированной системы подачи.

Автоматизированная система подает балансы на вход в прессовую коробку с регулированием расхода древесины датчиками уровня на конвейере. Формирование партии баланса и подача ее в дефибрер показаны на рис.12.

Процесс дефибрирования под давлением можно осуществлять с погружением камня в ванну и по "безванному способу".

Частота насечки дефибрерного камня такая же, как и при обыч­ном дефибрировании.

Этим способом получается ДМ, содержащая высокую фракцию хо­рошо фибриллированных длинных волокон, у которой показатели проч­ности в сухом состоянии находятся между соответствующими показате­лями ТММ и ДДМ, а влагопрочность выше, чем у ТММ. Отличается ДМД также лучшей обезвоживаемостью. Применение такой массы для выработки бумаги позволяет снизить содержание целлюлозы в композиции бу­маги, обеспечивает высокую непрозрачность бумаги и облегчает работу мокрой части бумагоделательной машины. ДМД пригодна для выработкиразличных массовых видов бумаги (газетной, журнальной, мелованной и др.) и картона.

1 2 3 4

Рис. 12. Формирование партии баланса и подача ее в дефибрер:

1 - опускающий стол находится внизу, захваты закрыты; 2,3 - стол начинает подни­маться, захваты раскрываются, затем стол опускается в положение формирования пор­ции; 4 - стол продолжает опускаться до конечного положения, захваты закрываются, порция готова для подачи

Хорошие прочностные свойства ДМД в сочетании с малым расходом энергии позволяют производить бумагу более экономично, чем при использовании обычной ДДМ или ТММ (табл. 2)

Таблица 2

Сравнение основных показателей механической прочности

некоторых полуфабрикатов высокого выхода

Фирма “Тампелла” активно продолжает работу по совершенствованию технологии ДМД. Разработан способ получения ДМД при более высоких температуре и давлении (ДМД-супер): максимальное эксплуатационное давление дефибрера 5 кГс/см² и температура спрысковой воды 140 ºС. ДМД-С отличается от ДМД и ДДМ повышенным содержанием длинноволокнистой фракции и более высокими показателями механической прочности.

Удельный расход энергии на дефибрирование такой же, как и при получении ДМД.

Белизна ДМД-С ниже, чем ДМД. Для компенсирования снижения белизны, вызванного повышением температуры, фирма предлагает добавлять в спрысковую воду малые количества пероксида водорода (0,5 % от абсолютно-сухого волокна). Эффект отбелки массы в этом случае обусловлен тем, что при замкнутой системе использования оборотной воды последняя постоянно обогащается циркулирующим остаточным пероксидом водорода.

Заслуживают внимание работы фирмы "Тампелла" по получению ДМД из древесины, обработанной химическими реагентами. Полученный полуфабрикат ХДМД по многим свойствам сопоставим с ХТММ.

Процесс дефибрирования под давлением позволяет также значительно расширить сырьевую базу. Ряд предприятий Японии и Германии используют для получения ДМД древесину сосны. Разработана технология получения ДМД из осины.

Основной проблемой при производстве ДМД является сокращение срока службы дефибрерных керамических камней до 1 – 1,5 года, в то время как при традиционном способе дефибрирования аналогичные камни работают 2 – 3,5 года. Сокращение срока службы рабочей поверхности камня связано с тем, что при повышенных температуре и давлении происходит интенсивное разрушение керамической связки, связывающей абразивные зерна.