锥形除渣器的设计

锥形除渣器的设计概述在制浆生产的过程中，由于原料及化学药品混有粒状杂质，不仅直接影响纸浆或纸张的成品质量，而且损坏设备，妨碍生产正常进行。因此，纸浆料必须经过除渣净化处理，以满足产品质量和正常生产的需要。纸浆的除渣净化是根据纸浆中杂质与纤维之间密度的不同，利用离心分离的原理，使密度较大的杂质在离心力的作用下与纤维分离的过程。锥形除渣器是目前广泛应用的纸浆除渣净化设备。它结构简单，无运动件，单位产能能耗少，设备占地面积小。由于它在除杂质方面的独特功用，可以说没有哪一个纸厂不采用除渣器的。特别在废纸处理流程中，更显示出锥形除渣器的重要作用锥形除渣器的发展和应用离心式除渣器发明于1891年，1906年首次用于造纸业。1950年以后，在造纸业得到了广泛应用。除渣器自20世纪90年代以来，结构本身没有太大的变化，不少公司致力于进浆口、良浆和排渣口的改进。筒体直径减小些，筒身加长一些，调整筒体长度/直径的适当比例，相应延长纸浆在筒体内的停留时间，提高纤维与杂质的分高效率是当今除渣器改进的重点。废纸中的废杂质大致可分为以下3个方面：①密度或相对密度大于水（金属、玻璃块、碎石等）的废杂质或小于水（如泡沫塑料等）的废杂质，可以用除渣器来去除。而相对密度与水十分接近的胶黏物等杂质就很难用除渣器来去除。②尺寸范围大，大到8-10mm，小至5urn或更小一些，都可以用除渣器来去除。③变形性的废杂质如胶黏物等杂质。这类杂质由于会受力变形，易于通过筛孔或筛缝开口，但只要它们的密度与水有足够的差异，同时粒度大小在除渣器的去除范围，仍可以用除渣器来去除。除渣器按去除废杂质的不同，可分为：正向除渣器、逆向除渣器、通流式除渣器、轻、重杂质除渣器。正向除渣器又名重杂质除渣器，能有效去除相对密度较大的废杂质，如碎石、玻璃块、沙粒、销钉、螺丝钉、订书针、金属薄片等。这种重杂质除渣器在国内外废纸制浆生产线很常用，有时甚至是必不可少的净化设备。当浆料从切线方向以特定角度从进浆口向下进入重质除渣器顶部时，浆流即产生了涡旋，浆料沿筒体内壁以螺旋线方式向排渣口方向移动。浆流的涡旋生成离心力，使密度比水重的杂质被抛向筒体内壁，如（碎石、金属块等，这些重杂质下沉从下锥口排入沉渣室，至排渣口则移向涡旋的芯部，并沿中心旋转向上运动，从顶部出浆口排出。逆向除渣器，是一种新型的除轻杂质的净化设备，其结构原理与重杂质除渣器相仿，但在使用上却与重杂质除渣器相反。良浆从锥形底部排出，比纤维轻的杂质则从上部中心管排出，目的在于除去浆中比纤维轻的杂质，如苯乙烯、聚乙烯碎片、蜡、油脂、模压塑料等轻杂质。通流式除渣器，是变换型的逆向除渣器，它与逆向除渣器不同之处在于没有向上的溢流口，同时粗渣排放量要低得多。轻重杂质除渣器，是正向除渣器和逆向除渣器的混合产物。除渣器的顶部有2个同心的涡旋出浆管。重杂质与正向除渣器相同，从除渣器的底部排出，纤维和轻杂质从外涡旋转入内涡旋，升至除渣器上部后，轻杂质从中心管排出，良浆则从2同心套管的环状空间排出。当今国外几家知名公司生产的不同类型锥形除渣器，各有千秋。在国内，轻工业杭州机电设计研究院通过吸收国外先进技术以及几代技术人员的努力，已设计出系列化的锥形除渣器，以适应不同的浆料。影响除渣器净化效果的主要因素除渣器结构简单，但要设计好一套分离效率高的除渣器却很难，因为影响除渣器除渣效率的参数很多，笔者就本人近几年在除渣器的设计思路进行理论探讨。下面主要对正向除渣器作理论分析，其它类型除渣器原理相通。除渣器的几何形状尺寸分析，除渣器设计的关键主要是除渣器的几何形状。众所周知，流体在涡旋运动中产生的离心力的大小，是与流体的重量以及运动速度的平方成正比，而与涡旋运动的半径成反比。公式如下F=GV2/gR其中：F——离心力；G——流体重量；R——涡旋半径；V——运动体的圆周速度；g——重力加速度。涡旋半径越小，离心力越大。采用锥形结构，虽然筒体内壁摩擦阻力会降低运动速度，但因涡旋半径渐渐缩小，仍可以保证在除渣器维持相对稳定的离心力，从而促进除渣器的除砂和除渣作用。1）顶端直径浆料在除渣器中涡旋运动产生离心力的大小，是与涡旋半径成反比，因此从理论上来说，除渣器直径越小，其效率就越高。但直径小于一定范围也会产生一些实际问题，例如进浆口、良浆出口、粗渣排放口的开口也会相应变小，从而易于产生堵塞，较高的离心力也会使粗渣浓缩并增加堵塞的危险。同时较小的除渣器单个通过量较小，压力降较大因而需要配置较多的除渣器，动力消耗增大。为了节约投资和运行费用，纸厂更多倾向于采用直径稍大的除渣器。通常可根据纸厂的产能，采用不同的除渣器规格、筒体尺寸。2）进浆口尺寸浆料在除渣器中涡旋运动产生离心力的大小，是与回转速度成正比。因此进浆口的设计应保证在尽量减小湍动和压力降损失的前提下使回转速度达到最大值。通常设计成矩形以使整个浆流紧贴除渣器内壁进入。较大规格的除渣器相应有较大的进浆口。3）筒体长度必须有足够的筒体长度，以保证纸浆在进入分离区前有足够的停留时间以形成稳定的涡旋。过长和过短都会使涡旋流动变得不稳定而影响除渣效率。4）锥体角度假定筒体锥形壁上有一个尘埃粒子，这样一个尘埃粒子环绕除渣器轴线旋转而产生一个作用于锥形壁上水平方向的离心力F,而离心力F有一个沿壁面向上的分力Fw,阻止粒子沿内壁往锥体的下部沉降。所以锥角增大，锥壁对粒子向上托的力也越大；反之，如锥角减小，粒子下沉的可能性就越大，相应浆料排渣就越大。但考虑到锥体内壁的摩擦阻力，在实际设计中，对锥体角度必须做一定的修正。5）出浆管出浆管的直径及其伸人涡旋区的深度也影响除渣效率。如出浆管口径过大时，良浆涌出畅通，浆料进入锥体下部的量相应减少。出浆管口径过小时，内涡旋的浆流不能完全畅通地通过出浆管，就会产生大量的再循环，影响生产能力。但少量的再循环还是必要的，因为它可避兔和减少进浆浆流对良浆浆流的影响，相应进、出浆管口径的协调也是很重要的。出浆管伸入涡旋区的深度决定着浆料向“低压带”集中的开始位置。伸入太浅时，一部分浆料在进入除渣器后，很快就进入出浆口，这样对杂质的分离是不利的。伸入太长时，因增加管内表面积而增加压力降，所以注意出浆管伸入涡旋区的深度。6）锥体长度浆料在除渣器内做内涡旋运动时，要使尘埃粒子与纤维尽可能分离完善，必须使距锥简内壁最远的尘埃粒子（靠近中心）沉降至锥筒的内壁面上，则需要一定的停留时间，因此要使尘埃得到良好的分离（即除渣率高），需要一定的锥体长度。但锥体过长，超过分离杂质所需要的长度也无必要，甚至会产生相反的效果，因为，浆料在旋涡运动的停留时间增加，这样会造成水力能量的损失，造成涡旋中心较低的速度，致使除渣效率下降；反之，锥体过短，浆料做内涡旋运动的停留时间不足，除渣率低。7）除渣出口除渣出口直径的大小，也影响除渣效率。出口直径大小，导致出口堵塞，会使粗渣被良浆浆流带走，出口直径太大，则除渣率太高，造成纤维流失。综上所述，应综合考虑以上各种因素，选择合适的的除渣净化设备。除渣器的工艺参数1）进浆浓度当压差一定时，净化效率随着进浆浓度的增加而下降。因为浓度增加，纸浆中纤维会干扰尘埃粒子的顺利移动，使它不能很快移向器壁与粗渣流汇合。此外进浆浓度增加，排渣浓度也增加，纤维流失随之增大。但进浆浓度太低，则设备产能下降，效率降低，能耗增大，所以必须选择合适的进浆浓度。2）压力差压力差是指进浆压力和出浆（良浆）压力之差，它是浆流产生涡旋运动的推动力，因而是影响除渣器净化效率的主要因素之一。若其它条件不变，增大压差，对浆流的离心力增加，从而提高了除渣净化效率；但压差太大，会产生过度的涡旋流，破坏稳定的浆流态，也会增加动力消耗。3）通过量每种规格的除渣器都有其额定的生产能力。净化系统中每段除渣器的个数就是根据每个除渣器的能力确定的。一般要求除渣器尽能在满载情况下运行。单个通过量过小，表明设备所需个数过多，动力消耗大，但单个通过量过大，则会降低除渣效率，增加纤维流失，所以必须选择合适规格的除渣器。4）排渣率过低的排渣率会使尘埃粒子等杂质被良浆带走，降低净化效率，排渣高，将不得不增加除渣器段数，以减少纤维流失。除渣器的排渣形式除渣器的排渣形式有间歇式和连续式2种。不论是自动排渣还是手动排渣，均带有必须的钢结构支撑和支架。自动排渣的除渣器还可以安装在任何方便的高度上，或将排渣室置于楼下而把主体直接安装在楼面上，粗渣可排入地面上或地面下的槽或容器之内。自动排渣系统由2个安装在一特殊粗渣室2端的气动阀门和辅助阀门等组成，带一套时间程序控制。当排渣周期开始时，每一步骤在另一步骤开始前都会得到正面的肯定。如这一步骤的完成在预定程序的时间内没有得到确认时，警报器会响起，而排渣周期将中断。在一个阀门未完全关闭之前，任何情况下在没有得到确认前，另一阀门不会开启，这表明大量纸浆渗漏至粗渣室的情况不可能发生。其除渣处理程序为：1）待下部气动阀全关闭后，冲刷水管阀门打开。排气阀打开，让水充满整个沉渣管,并排出沉渣管中的气体；2）当沉渣管中充满水后，由时间程序控制，排气阀关闭，冲刷水管阀门关闭，同时打开上阀和平衡水阀，平衡水继续上升，并溢过沉渣管上部气动阀门口，与浆料达到平衡状态；3）从沉渣管视镜中观察重杂质的沉集情况，选择适当的排渣时间。排渣时首先关闭沉渣管上部气动阀，停止杂质进入沉渣管，然后关闭平衡水，停止供水。同时打开沉渣管底部气动阀门和冲刷水阀门，进行排渣；4）排渣完成后，关闭沉渣管底部气动阀，系统进行下一排渣周期。上、下2气动阀切换时间依据罐内杂质数量而定。一般杂质占渣罐容积1/2—2/3时，气动阀