生物酶制浆设备单轴卧螺挤浆机改进设计及试验研究

2022-11-24曹安港赵显涛丁春华

中国造纸 2022年10期

曹安港赵显涛丁春华

（1.郑州科技学院机械工程学院，河南郑州，450064；2.中国船舶集团公司第七〇三研究所，黑龙江哈尔滨，150078）

生物酶制浆是采用高基生物酶分解生物质纤维与高效设备相结合的一种制浆技术。图1所示生物酶制浆系统是国内外领先的生物酶制浆技术，它与传统的碱法和亚硫酸盐法制浆不同，从技术源头上保证不再出现传统制浆的污染排放，可节省巨额治污及能源消耗费用[1-3]。

图1 生物酶制浆系统Fig.1 Bioenzyme pulping production system

单轴卧螺挤浆机是生物酶制浆系统输出纸浆的关键设备，主要用于浆料的浓缩及反应水的分离，且分离的反应水可循环使用，具有出浆浓度高、生产效率高、压滤脱水能力强等特点。目前，一台直径600 mm的单轴螺旋挤浆机的生产能力约为100 t/d，出浆浓度为35%～42%。因此，提高制浆浓度可显著降低制浆成本。在不影响生产效率的情况下，如何提高制浆浓度是螺旋挤浆机面临的困难之一[4-5]。

生物酶制浆目前现有的螺旋挤浆机虽然可以使用，但效率及纸浆浓度低。由于采用酶促工艺，没有机械损伤和高温蒸煮，纸浆纤维比较完整，从而更容易缠绕，脱水更难[6-8]。本课题根据生物酶的生产工艺特点和浆料特性，对单轴卧式螺旋挤浆机进行了改进。现场挤浆试验表明，本课题设计的单轴卧式螺旋挤浆机提高了纸浆浓度，能够满足生物酶制浆生产的需要。

1 结构组成及工作原理

单轴卧螺挤浆机主要由减速电机、螺旋轴、筛鼓滤网、真空装置、背压装置及进出料箱等组成，结构示意图见图2。其中螺旋轴采用变径变距连续螺旋结构，分为输送段、压缩段及出料段，输送段起到进料推送的作用，并确定了螺旋的处理能力；压缩段起到形成滤饼，并压缩物料进行脱水的作用，具有一定压缩比，可使物料通过体积变化逐渐压缩，是螺旋的关键区域；出料段起到均匀出料和形成机头压力的作用。筛鼓滤网采用条形间隙结构，分为进料区滤网、低压区滤网、中压区滤网及高压区滤网。进料区滤网主要由弧形滤网及半圆形滤网组成，通过充满浆料使其下部形成密闭空间，形成真空抽水；低、中、高压区滤网皆为筒形结构，其滤网间隙逐渐变小。真空装置主要由真空泵及密封腔组成，使物料在滤网的上下两侧形成压力差，可进行物料预过滤及增强滤饼的渗透率，可有效解决压力反流、间隙反流及压力回吸等问题，提高生产效率及出浆浓度；背压装置主要由锥形外环、可调节锥形内环及气缸背压系统等组成，通过调节气缸的压力，从而调整机头压力，以控制出浆浓度[9-10]。

图2 单轴卧螺挤浆机结构图Fig.2 Structure drawing of uniaxial horizontal screw extruder

单轴卧螺挤浆机的分离原理是利用螺旋旋转推送，通过变径变距使滤饼体积变化，压缩物料，使液体通过纤维层从滤网流出，分离原理图见图3。内部压力的形成主要依靠出料段的背压装置，使浆料液体在纤维多孔介质内部通道做渗流流动，液体通过滤网介质过滤，固体颗粒被过滤介质截流，从而实现固液分离。物料和滤饼处于多维压榨状态，当物料脱水达到一定程度时，物体微粒在过滤介质表面堆积形成滤饼，在一定程度上也起到过滤固体物的作用。由于螺旋的作用，螺棱在螺杆旋转过程中不断地刮擦滤饼层，使滤饼层厚度无法增加，但其含水率随脱水过程不断降低。

图3 单轴卧螺挤浆机分离原理图Fig.3 Separation schematic diagram of single shaft horizontal screw extruder

2 结构设计

单轴卧螺挤浆机的工作过程为进料、挤压脱水和出料等。物料通过螺旋轴进料段进行推送，进料段的尺寸和体积确定了螺旋的处理能力，但其尺寸越大，建压所需要的时间就越长，推送的填充量越小，导致分离效率低，能耗大。物料进入压缩段后，通过螺旋的变径变距，体积逐渐变小，压缩物料脱水。为了提高脱水效果，一般需增大压缩比，但同时增大了螺旋腔内的压力差，容易形成压力反流及间隙反流，降低了物料的脱水效率。物料进入出料段后，螺距变小，且物料经脱水类似固体，流动性差，易形成回吸现象及导致堵塞无法出料。针对以上问题，本课题提出了增加进料真空装置进行预脱水，采用滤网与轴孔共同作为过滤介质，使压榨液体向内外同时排放，并通过真空装置增加压力差，以提高排水效率；同时优化了背压装置结构，通过控制体积，以及背压进行出料段的再次压榨，以提高物料浓度[11-12]。

2.1 螺旋轴设计

生物酶浆料悬浮液的纤维网络依靠纤维相互交缠而成，其浓度越高，纤维含量越多，纤维网络越稳定，强度越大。实验研究表明，浓度8%以上浆料的纤维网络具有明显的强度，其在螺旋中平均流速较低的情况下，易导致靠近滤网的浆料滞流，使靠近螺旋叶片底部的浆料呈现短路流动，即沟流现象。根据生物酶浆料的特性及生产能力要求，综合考虑并设计螺旋轴的直径、长径比、压缩比、螺距、螺旋叶深、螺旋型面、滤网间隙等结构参数，并合理设计工作转速，使生物酶浆料流速稳定，避免出现滞流及沟流现象，提高生产效率。

本课题设计的螺旋轴分为进料段、低压段、中压段、高压段及出料段5段，如图4所示。进料段采用螺距较大的两段螺旋，此处增加真空预脱水，使进料浓度增大，进料能力增强；低、中、高压段采用逐级压缩比增大，稳定压缩逐步脱水。出料段采用内锥环结构，进行二次压榨。螺旋轴的螺旋部分采用变距变径螺旋结构，即螺旋槽深度由深逐渐变浅、螺旋升程由宽逐渐变窄，浆料逐渐受到压缩。为减少浆料在压缩过程中的相对运动及降低功率消耗，设计采用段间压缩比基本一致的方案，使浆料受到的压力均匀增大。

图4 螺旋分区图Fig.4 Spiral zoning map

当螺旋轴转动时，物料受到叶片的法向推力、切向摩擦力及螺旋与滤网间轴向和周向摩擦力，在合力作用下做类螺旋运动（见图5），在螺旋挤压浆料稳定运行时，螺旋型面对物料的法向推力（Ff）如式（1）所示。

图5 螺旋受力图Fig.5 Spiral force diagram

式中，f为物料与滤网间摩擦系数；D为螺旋外径；d为螺旋内径；β为螺旋升角；s为螺距；δ为螺旋与滤网间隙；Fz为螺旋与滤网间的周向摩擦力；θ为进料填充系数；ρ为物料密度。

由式（1）可见，螺旋截面形状对浆料挤压具有很大影响。本课题设计采用锯齿形截面，减少了对浆料的径向分力，增大轴向分力，略增加浆料与滤网间摩擦力，有利于浆料的推进[13-14]。

2.2 滤网设计

根据物料的性质及对挤压脱水过程的分析，本课题设计的装置包括进料弧形条状楔形筛、与螺旋配合的圆筒条状楔形筛、轴上辅助圆孔筛。条状楔形筛具有抗挤压强度大、处理能力好，且其具有自我清洁能力，能很好地避免滤网堵塞。设计中按螺旋压力分布区域，滤网尺寸设计为低压区2 mm（孔隙率约62%）、中压区1.5 mm（孔隙率约48%）、高压区1 mm（孔隙率31%），设计并控制滤网与螺旋轴配合间隙为0.8～1.0 mm。另外，为减少排水阻力和缩短排水距离，减少高压区的液体回吸，在螺旋轴表面设计辅助圆孔筛及轴心排水结构，使浆料挤压后可向内外同时排水，可有效提高浆料的排水效率。

2.3 真空装置设计

进料区域的物料含水率高，采用真空形成压力差进行预脱水，可提高单轴卧螺挤浆机的加压脱水效率。本课题中装置设计有单独的进料箱体，由进料分料板、弧形条状楔形筛、半圆筒条状楔形筛、密封箱体及软管真空泵等组成（见图6）。当物料液面高度超过上置的弧形条状楔形筛后，由物料、滤网及密封箱体下部形成密闭的空间，由真空泵将气体及重力回水抽出，使浆料在滤网的上下侧形成压力差，进行浆料的预脱水，可使浓度8%～10%浆料脱水至浓度15%左右。

图6 真空预脱水装置Fig.6 Vacuum dewatering device

2.4 出料锥环及背压装置设计

单轴卧螺挤浆机依靠压缩作用而浓缩脱水，形成压力至关重要，其主要依靠螺旋叶片间的体积变化及出料的背压装置实现。本课题设计出料箱包括出料锥环及背压装置，出料锥环采用内锥配合可相对旋转进行二次压榨，锥环外套与背压装置相联接，通过调节压缩空气压力及出料面积，实现对输出浆料产生反向压力的作用，可根据需要调整此压力，以调节挤出浆料的浓度及产量。

3 性能分析

3.1 转速计算

螺旋轴转速决定了浆料在挤浆机内的停留时间，进而影响生产能力和出浆浓度，同时考虑浆料层的圆周速度与轴向速度的一致性。研究表明，当螺旋转速超过一定值后，浆料的内层圆周速度小于外层，轴向速度大于外层，反之亦然，易出现浆料打滑现象。因此按螺旋参数可根据式（2）计算其最大转速，约为58 r/min，本课题取20 r/min，与常规产品基本一致。

式中，n为螺旋转速；β为螺旋升角；α为摩擦角，γ为物料运动绝对速度与水平间夹角；R为螺旋外半径[15-16]。

3.2 生产能力计算

挤浆机的生产能力与螺旋输送流量、压力反流流量及间隙反流流量有关，为其差值，可见控制反流流量可提高整机的推送效率，其中物料黏度为影响反流的主要因素。经推导，生产能力（Q）的计算见式（3）。由式（3）可见，物料黏度、孔隙率、间隙值等对产量影响较大，可在设计中充分考虑。

式中，D为螺旋外径；n为螺旋转速；δ为螺旋与滤网间隙；H为螺旋槽深；β为螺旋升角；η为物料黏度；b为滤饼厚度；e为孔隙率，P为压力差。

经改进设计，本课题设计的装置螺旋与滤网间隙缩小、预脱水物料黏度增大、孔隙率变小等皆可有效降低反流现象，按简化工程生产能力计算见式（4）。由式（4）可计算本课题设计的装置的生产能力约为138 t/h，在出浆浓度提高的情况下，生产能力较常规设计提高了15%～20%。

式中，Dcp为第一节螺旋的平均直径；θ为进料填充系数；β为螺旋升角；A为第一节螺旋的法向截面积；n为螺旋转速；r为绝干浆密度；c为进料浓度[17-18]。

3.3 出浆浓度估算

出浆浓度与螺旋压缩比、真空脱水率、物料的渗透系数、浆料的压力等因素相关，且以上因素互相影响。当浆料挤压脱水后，含水率下降，物料黏度升高，渗透系数减小，黏度升高使浆料脱水增加，而渗透系数减小使浆料脱水减少。本课题中根据质量守恒定律，建立了脱水量模型，优化了螺旋轴的段间压缩比，提高了脱水率，详见图7，脱水量的平衡方程见式（5）和式（6）。