Обезвоживание целлюлозной массы шнековым прессом: концентрация, производительность и возврат волокна

На целлюлозно-бумажном заводе за воду платят дважды: сначала чтобы переместить волокно, потом чтобы её удалить. Поток массы концентрацией 3% содержит около 32 тонн воды на каждую тонну волокна. Сгущение этого потока до 30% сокращает сопровождающую воду до 2,3 тонны — более чем на 90% уменьшается масса, которую нужно перекачивать, хранить, перевозить или выпаривать.

Шнековый пресс выполняет это сгущение механически, непрерывно и в габаритах, которые помещаются в существующем отделении подготовки массы. Для целлюлозных заводов это не новинка, но машину часто подбирают неверно, потому что покупатели сравнивают оборудование только по производительности, тогда как результат зависит от концентрации, типа волокна и выбора сита. В этом руководстве разобраны эти три переменные, приведены цифры производительности по типам массы и объяснено, что происходит с волокном внутри машины.

Почему на целлюлозных заводах обезвоживают в первую очередь

После варки, сортирования или промывки масса поступает в виде разбавленной суспензии. Перед размолом, смешиванием, хранением или отливом полотна концентрацию нужно поднять до рабочего уровня. Пока этого не произошло, каждый последующий передел работает с водой, а не с волокном: ёмкости завышены, мешалки перегружены, а перевозка между площадками перемещает суспензию, на 95% состоящую из воды.

Экономика наиболее наглядна в транспорте и сушке. Завод, перемещающий массу между корпусами или на сторонний перерабатывающий завод, платит за тонну влажного материала, и лишь треть этой массы может быть волокном. При сушке каждый килограмм воды, попадающий в сушилку, приходится выпаривать, а выпаривание — самый энергоёмкий этап на заводе. Механическое обезвоживание удаляет свободную воду при небольшой доле энергозатрат термической сушки, поэтому чем больше воды удаётся убрать механически, тем лучше энергобаланс всей линии.

Концентрация простыми словами

Концентрация — это процент абсолютно сухого волокна в суспензии массы. На заводах она служит общим языком между варкой, подготовкой массы и бумагоделательной машиной, и диапазоны довольно стандартны:

Шнековый пресс работает на границе средней и высокой концентрации. Он принимает питание обычно от 2% до 8% и выдаёт на выходе, как правило, 25–40% в зависимости от массы. Этого достаточно, чтобы материал можно было транспортировать конвейером, хранить без осаждения и экономично перевозить.

Сколько на самом деле стоит концентрация

Таблица ниже переводит концентрацию в цифру, важную для логистики и сушки: сколько воды уходит с каждой тонной сухого волокна.

Переход с 3% на 30% снижает количество воды не в десять раз, а в четырнадцать, потому что зависимость гиперболическая. Именно поэтому первая ступень сгущения даёт наибольшую экономию и поэтому шнековый пресс, установленный сразу после промывки или сортирования, обычно окупается быстрее любых других вложений в обезвоживание на заводе.

Как шнековый пресс сгущает массу

Масса поступает в бункер и попадает в цилиндрическую корзину щелевого сита. Шнек с переменным шагом медленно вращается внутри корзины, продвигая волокно вперёд. Последовательно происходят три процесса:

• Гравитационный дренаж. В первой секции свободная вода проходит через сито под собственным весом. Так удаляется основная часть воды до приложения давления, поэтому открытая площадь сита в зоне загрузки важнее силы сжатия.
• Сжатие. По мере сужения шага шнека волокнистый слой прижимается к ситу. Вода выдавливается через щелевую проволоку, а слой образует движущуюся пробку, которая сама работает как фильтр.
• Сдвиг и выгрузка. Пробка прижимается к устройству ограничения выгрузки — конусу, подпружиненной плите или пневматическому дросселю, — которое задаёт конечную сухость. Непрерывная пробка герметизирует выгрузку, поэтому машина ведёт себя как сосуд под давлением, не требуя его.

Механически это отличается от дискового сгустителя или гравитационного сгустителя, которые полагаются на гравитационное осаждение и сетку для отвода свободной воды. Такие машины останавливаются на концентрации 8–12%, потому что одна гравитация не может удалить воду, удерживаемую внутри волокнистого слоя. Шнековый пресс идёт дальше, потому что прикладывает к этому слою давление.

Место шнекового пресса в линии массы

Чаще всего пресс встраивают после промывной ступени на линии вторичного волокна. Заводы, у которых уже есть дисковый сгуститель, нередко ставят шнековый пресс после него, а не вместо него: дисковый сгуститель дешево справляется с большим объёмом, а шнековый пресс доводит сгущённую массу до концентрации, при которой её можно сразу направлять на хранение.

Что происходит с волокном внутри машины

Масса — не просто твёрдое тело. Её ценность зависит от длины волокна, степени помола и содержания мелкого волокна, и устройство обезвоживания, повреждающее любой из этих параметров, может стоить дороже, чем экономит. Шнековый пресс относительно мягок по трём причинам:

• Низкая частота вращения. Шнек вращается со скоростью несколько оборотов в минуту, поэтому сдвиг, действующий на волокно, значительно ниже, чем в центробежном насосе или высокоскоростном размоле. Длина волокна и степень помола в основном сохраняются при прохождении через машину.
• Без вакуума и зон высокого давления. В отличие от вакуум-фильтра или пресса высокого давления, шнек сжимает слой постепенно, что исключает резкое уплотнение, разрушающее структуру волокна и образующее мелочь.
• Контролируемое время пребывания. Масса проводит в корзине предсказуемые 30–120 секунд, а ограничение выгрузки можно настроить под изменение композиции без замены сита.

Единственная неизбежная потеря — мелкое волокно. Частицы меньше ячейки сита уходят в фильтрат, и на сите 0,5 мм это большая часть мелкой фракции и некоторое количество наполнителя. Это не дефект, а сам механизм обезвоживания. Поэтому фильтрат — не сточная вода, а разбавленный поток волокна, который следует возвращать в систему белой воды или в голову процесса, а не в канализацию.

Механические массы — сложный случай. Высокое содержание мелочи быстрее кольматирует сито, дренаж медленнее, а достижимая концентрация на выходе ниже. Если завод работает на смешанной композиции из крафта и механической массы, машину следует подбирать по механической фракции, а сито — по содержанию мелочи, а не по среднему значению.

Подбор сита и ограничения выгрузки

Результат на конкретной массе определяют две настройки: размер ячейки сита и противодавление на выгрузке.

Щелевое сито 0,5 мм — обычная отправная точка для массы. Оно удерживает длинное волокно, пропуская мелочь и наполнитель, и на большинстве композиций даёт концентрацию на выходе в диапазоне 27–35%. Более мелкое сито — 0,3 мм — улучшает удержание волокна и прозрачность фильтрата, но резко снижает производительность и повышает риск кольматации на механической массе. Более крупное — 0,75–1,0 мм — повышает производительность и подходит для OCC ценой большего количества волокна в фильтрате.

Противодавление определяет конечную сухость. Его увеличение даёт более сухой кек и более плотную пробку — до момента, когда ограничением становится крутящий момент двигателя или слой перестаёт пропускать воду и она больше не может выйти. На массе полезный диапазон обычно уже, чем на сельскохозяйственном волокне: за определённым давлением дополнительная энергия даёт тепло и уплотнение, а не удаление воды. Настраивайте ограничение с оглядкой на расход фильтрата, а не только на концентрацию на выходе.

Производительность: считайте в тоннах сухой массы, а не в кубометрах

Поставщики указывают объёмную производительность, потому что по ней подбирают загрузку и шнек. Заводы планируют в тоннах массы, обычно воздушно-сухой или абсолютно сухой в сутки. Для пересчёта нужна концентрация питания, поскольку одна и та же машина даёт совершенно разные тоннажи при 3% и при 6%.

Стоит внести две поправки. Во-первых, плотность массы не равна точно 1,0; при концентрации 4% этого достаточно для планирования, но при более высокой концентрации плотность слоя и объёмный КПД шнека снижают эффективную производительность. Во-вторых, цифры предполагают хорошо дренируемую композицию. На механической массе или массе с высоким содержанием мелочи снижайте их на 20–30%.

Фильтрат, белая вода и возврат волокна

Фильтрат, выходящий из шнекового пресса для массы, обычно содержит 0,2–1,0% взвешенных веществ, в основном мелочь и наполнитель. Этот поток имеет ценность и имеет своё место:

• Возврат в систему белой воды. Самый простой вариант, сохраняющий замкнутый водный баланс завода. Мелочь улавливается далее на волокноуловителе или дисковом фильтре.
• Возврат в голову линии. Если фильтрат разбавлен и процесс допускает рециркуляционную нагрузку, возврат перед сгустителем позволяет вернуть волокно без дополнительного оборудования.
• Повторное использование как вода для разбавления. На линии подготовки массы осветлённый фильтрат часто подходит для разбавления в машинном бассейне, что снижает забор свежей воды.
• Сброс на очистные сооружения. Последний вариант, и он стоит денег. Это должно быть осознанное решение, а не выбор по умолчанию.

На некоторых заводах правильное решение этого вопроса стоит больше самой машины. Шнековый пресс, фильтрат которого уходит в канализацию, теряет волокно и нагружает очистные сооружения; та же машина с возвратом фильтрата на волокноуловитель возвращает большую часть этого волокна и замыкает часть водного цикла.

Сравнение с другим сгущающим оборудованием

Шнековый пресс оправдывает своё место по трём причинам: он достигает концентрации, недоступной гравитационному оборудованию, делает это в малых габаритах и переносит колебания питания, которые бывают на реальном заводе. Сдвоенный сеточный пресс даёт немного более высокую концентрацию, но стоит дороже и требует больше внимания. Там, где нужна максимально возможная сухость перед сушкой, сдвоенный сеточный пресс может себя оправдать; для обычного сгущения перед хранением или размолом шнековый пресс обычно экономичнее.

Замечания по установке и эксплуатации

Большинство проблем шнекового пресса для массы возникает вне самой машины. Вот моменты, которые стоит закладывать в проект с самого начала:

• Подавайте правильным насосом. Используйте насос с низким сдвигом — винтовой или насос средней концентрации, — а не центробежный, который скручивает и повреждает волокно. Предусмотрите небольшой буферный бассейн, чтобы машина работала равномерно.
• Контролируйте концентрацию питания. Шнековый пресс переносит колебания, но лучше всего работает в диапазоне 2–8%. Выше 8% масса может поступать в корзину неравномерно; ниже 2% машина перекачивает воду и производительность падает. Обычное решение — вода для разбавления с регулирующим клапаном.
• Не допускайте работы без питания. Шнековый пресс без подачи быстро изнашивает сито и виток шнека. Заблокируйте привод с датчиком подачи или датчиком уровня в бункере.
• Предусмотрите воду высокого давления для промывки. Кольматация сита — главная причина падения производительности. Коллектор с форсунками на 4–6 бар по всей длине корзины, используемый при каждой остановке, восстанавливает открытую площадь.
• Следите за абразивами. Песок, крупка, а на линиях бамбука или багассы кремний ускоряют износ сита и витка. Заказывайте наплавку твёрдым сплавом и держите запасное сито.
• Продумайте выгрузку. Масса концентрацией 30% жёсткая. Проверьте высоту выгрузки относительно конвейера или бункера и предусмотрите разрыхлитель, если пробка склонна к сводообразованию.

Экономика сгущения массы

Проект обезвоживания массы обычно даёт три вида отдачи, причём второй и третий заводы склонны недооценивать:

• Транспорт и хранение. Перемещение массы при 30% вместо 4% снижает обрабатываемую массу примерно в семь раз. Для завода, перевозящего массу между площадками, это часто самая крупная отдельная экономия.
• Энергия на сушку. Каждая тонна воды, удалённая механически, — это тонна, которую не нужно выпаривать. Экономия зависит от сушилки, но механическое обезвоживание обычно на порядок дешевле в расчёте на тонну удалённой воды.
• Возврат волокна. Возврат фильтрата на волокноуловитель вместо канализации возвращает волокно, которое иначе стало бы потерей закупки и нагрузкой на очистные сооружения.

Против этого — стоимость машины, её энергопотребление (обычно 15–40 кВт·ч на тонну сухой массы в зависимости от модели и композиции), промывная вода и замена сит. На большинстве линий вторичного волокна одна только экономия на транспорте и сушке окупает вложения за один–три года, ещё до учёта возврата волокна.

Частые вопросы

Какой концентрации достигает шнековый пресс на целлюлозной массе?

Большинство масс достигает концентрации на выходе 25–38%: первичный крафт на верхней границе, механическая масса — на нижней. Точное значение зависит от длины волокна, содержания мелочи, размера ячейки сита и настройки ограничения выгрузки.

Повреждает ли шнековый пресс волокно?

Это устройство с низким сдвигом, работающее при нескольких оборотах в минуту; оно сохраняет длину волокна и степень помола гораздо лучше центробежного насоса или высокоскоростного размола. Измеримая потеря — мелочь, проходящая через сито в фильтрат, и её можно вернуть из системы белой воды.

Может ли он заменить существующий дисковый сгуститель?

Может, но многие заводы оставляют дисковый сгуститель для массового сгущения и добавляют шнековый пресс после него для достижения высокой концентрации. Такая схема использует каждую машину там, где она наиболее эффективна, и обычно дешевле полной замены дискового сгустителя.

Какой размер ячейки сита выбрать для массы?

0,5 мм — обычная отправная точка. Используйте 0,3–0,4 мм там, где важны удержание волокна и прозрачность фильтрата и масса хорошо дренирует; 0,75–1,0 мм — для OCC и других быстро дренирующих видов, где приоритет отдаётся производительности.

Как оценивается производительность по массе?

Машина подбирается по объёму в м³/ч, но заводам следует планировать в тоннах сухой массы в сутки, что зависит от концентрации питания. Модель на 10 м³/ч даёт примерно 9,6 т/сут сухой массы при питании 4% и 14,4 т/сут при 6%.

Обязательно ли фильтрат направлять на очистные?

Нет. Фильтрат обычно содержит 0,2–1,0% взвешенных веществ, в основном мелочь и наполнитель, и его место — в системе белой воды, в голове линии или в качестве воды для разбавления. Сброс в канализацию теряет волокно и добавляет нагрузку очистным сооружениям.

Заключение

Обезвоживание целлюлозной массы вознаграждает спецификацию, построенную на трёх числах: концентрация питания, целевая концентрация и тип волокна. Правильно определите их — и машина подберётся сама. Шнековый пресс непрерывно переводит большинство масс с 3–6% до 25–38% в малых габаритах, при низкой мощности и без повреждения волокна.

Если вы сообщите тип массы, концентрацию питания, целевую концентрацию и суточный тоннаж, мы порекомендуем модель и сито и дадим ожидаемую концентрацию на выходе и диапазон сухого остатка фильтрата для вашей композиции.