Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 5

Очистка макулатурной массы

Несколько десятилетий назад, когда объемы производства картона и бумаги были значительно ниже и перед человечеством еще не стояли проблемы экологического и энергетического кризисов, термин «макулатура» ассоциировался с чем-то неприятным, присущим всем отбросам и отходам.

Интерес к широкому использованию вторичного волокнистого сырья повысился в начале семидесятых годов в связи с многократным повышением цен на энергоносители и под давлением защитников окружающей среды. Девяностым годам суждено было стать свидетелями расширения номенклатуры макулатурных видов бумаги не только в газетном секторе бумажной промышленности, но и в секторе более высококачественных печатных видов бумаги.

Сегодня макулатура по праву считается основным сырьем бумажной промышленности в XXI веке. В ближайшие годы инвестиционные процессы в целлюлозно-бумажной промышленности России будут связаны с разработкой и внедрением ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий и переработкой макулатуры с увеличением ее использования в композиции бумаги и картона до уровня предприятий наиболее развитых стран, то есть до 50%.

В разволокненной макулатурной массе (ММ) содержится значительное количество нежелательных составляющих − посторонних примесей и загрязнений неорганического и органического характера, которые должны быть отделены от волокнистой суспензии и утилизированы. В технологической схеме переработки макулатуры осуществляется очистка макулатурной массы с целью удаления нежелательных составляющих.

Очистка подразделяется на грубую и тонкую в зависимости от расположения оборудования в технологической линии переработки макулатуры и от размеров посторонних примесей, присутствующих в макулатурной массе.

Задачей грубой очистки макулатурной массы является удаление крупных тяжелых включений органического и неорганического характера. При грубой очистке из волокнистой суспензии удаляются тяжелые примеси (HW − heavy weight), такие как песок, частицы металла, стекла, и легкие частицы (LW − light weight), включая пластики, пленки и парафин, которые оказывают негативное влияние на качество готовой продукции и повышают износ технологического оборудования. Для эффективного удаления примесей плотность их частиц должна отличаться от плотности воды, а размер и форма частиц − от других компонентов суспензии.

Предварительную грубую очистку макулатурной массы от крупных тяжелых примесей производят в гидроциклонах при высокой концентрации массы (НС). В технологической линии переработки макулатуры гидроциклоны НС устанавливают между ступенями разволокнения макулатуры и грубого сортирования макулатурной массы.

Тонкая очистка макулатурной массы осуществляется для удаления мелких тяжелых и легких включений и является необходимой операцией для удаления абразивных материалов (песок, скрепки, скобки и пр.), которые могут вызвать преждевременный износ сит щелевых сортировок и гарнитуры дисковых мельниц, расположенных далее по технологическому потоку, и ухудшить качество волокнистого полуфабриката. Кроме того, данная технологическая операция предназначена для отделения легких примесей, таких как воск, пенопласт и пр.

Для эффективной очистки макулатурной массы в гидроциклоне частицы примесей должны обладать свойствами, необходимыми для их отделения от суспензии:

Размер частиц примесей в макулатурной массе составляет от 5 мкм до 8−20 мм в зависимости от диаметра отверстий сита гидроразбивателя или сепаратора. Удаление крупных частиц примесей осуществляется более эффективно. Например, удаление из макулатурной массы частиц наполнителей диаметром 30 мкм происходит успешно, а частицы диаметром 3 мкм практически не удаляются. Частицы сферической формы отделяются лучше, чем плоские частицы.

Очистка макулатурной массы от частиц липких веществ в гидроциклонах возможна при условии, что их размеры достаточно значительны, а плотность существенно отличается от плотности воды.

Очистка макулатурной массы в гидроциклонах обычно производится при низкой концентрации (0,7−1,0%) в несколько ступеней. Гидроциклоны работают по принципу противотока или прямотока в соответствии с направлениями потоков отходов и очищенной массы по отношению к направлению поступающей массы. Вход загрязненной массы и выход очищенной массы расположены в верхней части противоточных циклонов. В нижней части гидроциклона расположено отверстие для вывода отходов.

В циклонах, работающих по принципу прямотока, направления потоков очищенной массы и отходов совпадают − такие аппараты называют реверсивными или обратными по сравнению с обычными противоточными гидроциклонами.

Гидроциклоны, работающие по принципу противотока и прямотока, используются для очистки макулатурной массы как от тяжелых (HW), так и от легких примесей (LW).

Под действием центробежной силы, возникающей в гидроциклоне, частицы примесей отделяются от суспензии за счет разности плотностей частиц и волокна. Важное значение при этом имеет форма и размер частиц примесей. Центробежная сила возникает при подаче волокнистой суспензии в тангенциальном направлении во входное отверстие аппарата. Геометрические характеристики входного отверстия гидроциклона должны способствовать созданию вращающегося потока массы.

Торможение суспензии на стенках гидроциклона несколько снижает скорость ее движения. Для обеспечения необходимого ускорения потока величина радиуса гидроциклона обычно уменьшается по направлению к нижней части. Большинство гидроциклонов имеют верхнюю часть цилиндрической формы, а нижнюю − конической.

В результате действия центробежной силы тяжелые частицы примесей движутся по спиральной траектории вблизи стенок по направлению к нижней части корпуса гидроциклона. Тяжелые отходы удаляются через отверстие для отходов вместе с небольшим количеством суспензии − от 3 до 10% от поступающей массы.

Легкие частицы (LW) примесей движутся под действием центробежной силы и подвергаются воздействию разделяющих усилий, которые возрастают в радиальном направлении к центру аппарата. При очистке макулатурной массы от частиц легких примесей вывод очищенной массы осуществляется через нижнее выпускное отверстие. Это связано с тем, что под действием центробежных сил частицы легких примесей концентрируются в центральной части гидроциклона. В реверсивных циклонах удаление легких отходов производится с некоторой частью волокон − от 1 до 5% от поступающей массы − через отверстие для вывода отходов, находящееся в верхней части аппарата.

Отходы из гидроциклона могут удаляться непрерывно или периодически. Повышенный выход отходов обеспечивает высокую эффективность эксплуатации данных аппаратов.

Способы повышения эффективности очистки макулатурной массы в гидроциклонах:

На современных предприятиях по переработке макулатуры применяют традиционные и реверсивные очистители, которые работают при перепаде давления 120−180 кПа с удалением небольшого количества отходов (10−15%), что позволяет уменьшить число ступеней очистки макулатурной массы, расходы на установку бассейнов и трубопроводов, а также на транспортировку массы с помощью насосов. Очистка макулатурной массы в гидроциклонах осуществляется в 3−4 ступени.

Принцип действия гидроциклонов: макулатурная масса при избыточном давлении подается в гидроциклон по тангенциально расположенному патрубку с небольшим наклоном к горизонтали; под действием центробежных сил вихревого потока, возникающего при движении массы сверху вниз через конический корпус очистителя, тяжелые посторонние включения отбрасываются к стенкам аппарата и собираются в камере отходов; очищенная масса сосредотачивается в центральной зоне корпуса аппарата и, по восходящему потоку, поднимаясь вверх, удаляется из очистителя.

Камера отходов гидроциклона может быть оснащена смотровым окном для контроля за количеством поступающих в нее отходов и специальным клапаном для регулирования количества удаляемых отходов. Объем воды, подаваемой в камеру отходов для разбавления, также регулируется клапаном. Количество и концентрация отходов, а также давление воды, поступающей через гидравлический затвор, должны поддерживаться постоянными. Отходы из камеры удаляются периодически, по мере их накопления.

Оборудование для очистки волокнистой суспензии подразделяют на:

Гидроциклоны НС работают при концентрации массы 4,0−5,5%. При повышении концентрации массы более 5% эффективность очистки макулатурной массы резко снижается. Перепад давления в гидроциклонах изменяется в пределах 50−100 кПа.

Таблица 1. Характеристика гидроциклонов

При низкой пропускной способности аппарата или высокой концентрации макулатурной массы в верхней части гидроциклона устанавливают ротор, который обеспечивает необходимую скорость движения суспензии. Тяжелые примеси периодически удаляют из камеры отходов аппарата.

При грубой очистке макулатурной массы на первой ступени использованы один или несколько гидроциклонов НС, установленных параллельно. Удаление отходов очистки макулатурной массы производится непрерывно при разбавлении их водой до концентрации 1,5%. Затем отходы очистки поступают в отстойник для осаждения крупных тяжелых примесей, которые затем удаляют через шлюз. На ступень очистки LС поступают отходы с меньшим содержанием тяжелых примесей, что позволяет защитить аппарат от забивания и абразивного износа.

Гидроциклоны МС − аппараты средних размеров без ротора и с камерой отходов − работают при концентрации массы 2%. Количество отходов очистки составляет 0,1−1% в зависимости от степени загрязненности макулатурной массы.

Гидроциклоны LС используют для очистки макулатурной массы от тяжелых или легких примесей при концентрации 0,5−1,5%. Они имеют меньшие размеры и работают при центробежном ускорении до 1000 g, поэтому их эффективность значительно выше. Недостатком использования данных аппаратов является повышенный УРЭ вследствие увеличения объема массы низкой концентрации, подаваемой в аппарат с помощью насосов.

В связи с совершенствованием технологии сортирования волокнистой суспензии с применением щелевых сит, в последние годы гидроциклоны для удаления легких примесей из макулатурной массы выполняют менее заметную роль в процессах переработки макулатуры. Такие очистители применяют в основном для очистки макулатурной массы с высоким содержанием парафина и пенопластов.

Для увеличения производительности потока отдельные аппараты соединяют параллельно в установки различных типов. Подача суспензии осуществляется через распределительный коллектор к гидроциклонам, из которых очищенная масса и отходы поступают в соответствующие коллекторы.

Отходы очистки макулатурной массы накапливаются в закрытой камере − коллекторе − под давлением, отвод отходов производится с помощью специального клапана. Использование коллектора отходов позволяет увеличить размер выпускных отверстий гидроциклонов, что является преимуществом по сравнению с открытыми системами, т. к. снижает возможность забивания аппарата.

В установку для очистки макулатурной массы может входить до 4 ступеней гидроциклонов в зависимости от содержания примесей в суспензии. Обычно используют каскадную схему установки гидроциклонов: отходы первой ступени поступают на вторую ступень очистки, очищенная масса с которой возвращается в поток макулатурной массы, поступающей на первую ступень. Отходы второй ступени очистителей поступают на третью ступень очистки, очищенная масса с которой возвращается на вторую ступень, и так до тех пор, пока масса не достигнет конечной ступени очистки.

Концентрация отходов, отделенных при очистке в гидроциклоне, превышает концентрацию поступающей в аппарат массы за счет увеличения содержания в них волокна, наполнителей и других примесей с высокой плотностью. Коэффициент сгущения отходов зависит от количества примесей в макулатурной массе и типа гидроциклона. Эффективность отделения примесей в гидроциклоне повышается при увеличении коэффициента сгущения отходов.

При повышенной концентрации отходов для их эффективной обработки на последующей ступени очистки производится разбавление водой. По мере прохождения массы через последовательные ступени очистки объем суспензии с высоким содержанием отходов снижается, поэтому количество аппаратов на каждой последующей ступени уменьшается. Обычно в установке гидроциклонов для удаления тяжелых примесей производительность каждой ступени составляет около 25−45% производительности предыдущей ступени. Гидроциклоны последней ступени должны обеспечивать удаление отходов очистки при минимально возможной потере волокна.

На многих предприятиях опыт использования реверсивных гидроциклонов для удаления частиц легких примесей оказался неудовлетворительным в связи с увеличением плотности данных веществ, вместо них используют щелевые сортировки и флотационные камеры, а также систему очистки оборотной воды. Иногда используют гидроциклоны в контурах водопользования: при изменении величины рН-среды при поступлении макулатурную массу из одного контура в другой происходит агломерация малых частиц липких веществ в более крупные, что облегчает их удаление в гидроциклоне. Недостатком данного способа является необходимость снижения концентрации макулатурной массы, что предполагает использование дополнительного сгустителя.

Контроль эффективности очистки производственной воды на микрофлотационной установке DAF осуществляется по показателю мутности: при повышении мутности воды увеличивают расход полимеров. Однако при замыкании водооборота температура производственной воды повышается, что способствует размягчению частиц липких веществ, пластиков и горячих расплавов. Поэтому необходимо охлаждать производственную воду в градирнях или разбавлять холодной водой в установках сортирования.

Оборудование для очистки

На российских предприятиях при переработке макулатуры используются гидроциклоны типа ОМ. Данный аппарат имеет пропускную способность 400−1700 л/мин при концентрации массы 3,0−5,5% и перепаде давления 100 кПа. Объем камеры отходов − 40−80 л, расход воды на ее промывку составляет 20−35 л/мин. Преимуществами таких гидроциклонов являются низкий УРЭ вследствие небольшого перепада давления и возможность эксплуатации при высокой концентрации массы.

Гидроциклон типа НСС фирмы Voith применяется для очистки макулатурной массы от тяжелых включений при концентрации до 6%. Геометрически оптимизированные размеры и форма патрубка подачи массы в аппарат способствуют созданию высокой турбулентности потока. Отсутствие ротора упрощает обслуживание и обеспечивает высокую надежность работы аппарата. Гидроциклон оснащен специальной конструкцией ловушки, обеспечивающей низкую потерю волокна за счет промывки отходов очистки противотоком. Аппарат имеет частичную или полную керамическую футеровку, что снижает его износ.

Гидроциклон типа НСС

Гидроциклон типа HydroClean
HC5/HCH5 (EcoMizer^TM)

Гидроциклон типа HydroClean HC5/HCH5
(EcoMizer^TM)

Гидроциклон типа HC Cleaner фирмы Metso Paper используется для очистки макулатурной массы после разволокнения макулатуры при низкой концентрации (LC), а также между ступенями грубого и тонкого сортирования. Концентрация суспензии − 0,1−5,0%, оптимальная − 1,5−2,5%.

Гидроциклон типа HydroClean HC5/HCH5 (EcoMizer™) фирмы Voith применяется для многоступенчатой тонкой очистки макулатурной массы. Аппарат обеспечивает высокую эффективность очистки при концентрации массы до 2% благодаря гладкой внутренней поверхности пластиковых конусов, оснащенных индикаторами износа. Достоинствами аппарата являются минимальные потери волокна с отходами очистки, низкий уровень пульсации и отсутствие забивания конусов за счет непрерывного удаления отходов.

Гидроциклоны типа KS60 (EcoMizer™) фирмы Voith используются для многоступенчатой очистки массы от тяжелых загрязнений в системах массоподготовки. Преимущества аппаратов следующие: контроль над сгущением отходов, компактность системы, высокая эффективность очистки при концентрации массы до 2% без применения дополнительных средств для создания турбулентности, минимальные потери волокна, отсутствие забиваний конусов благодаря непрерывной выгрузке отходов.

Гидроциклон типа KS60 (EcoMizer^TM)

Оптимизация установки по центробежной очистке EcoMizer™ фирмы Voith состоит в том, что выгрузка отходов из гидроциклонов заменена специальной промывной камерой.

Система «Протектор PRO» фирмы Voith преимущественно используется для удаления тяжелых загрязнений в линии подготовки макулатурной массы при концентрации до 4,5%. Данная система включает две ступени очистки макулатурной массы: первая − очистители (НС) с непрерывной выгрузкой отходов, вторая − очистители низкой концентрации с периодической выгрузкой отходов. Между ступенями имеется промежуточный отстойник для удаления грубых тяжелых частиц при концентрации до 1,5%. Эффективность применения данной системы обеспечена отсутствием ротора, принципом противотока, защитой от износа и высокой пропускной способностью.

Схема двухступенчатой грубой очистки макулатурной массы в гидроциклонах – система «Протектор PRO»

Гидроциклон типа ALBIA фирмы GL&V с камерой отходов типа FRB используется для очистки волокнистой суспензии от тяжелых примесей. Преимуществами использования аппарата являются минимальные потери волокна, высокая эффективность очистки, высокая износостойкость.

Камера отходов типа FRB оборудована устройством, подающим воду на разбавление, которая вымывает отходы и отделяет волокна от тяжелых примесей. Волокно вымывается в центральную часть конуса аппарата в восходящий поток очищенной суспензии.

Частицы тяжелых примесей остаются на стенках аппарата и подаются в камеру отходов, в которой накапливаются и периодически удаляются с помощью пневматических клапанов, обычно через 10−30 мин. Расход воды на разбавление отходов составляет 75 л/мин, на вымывку отходов − 80 л/мин при давлении 200 кПа.

Гидроциклоны типа ALBIA FRB имеют конус со спиральной внутренней поверхностью, создающей нисходящий поток примесей вдоль стенок конуса, что предотвращает повышенный износ и обеспечивает бесперебойную работу гидроциклона без забивания. Кроме того, спиральная поверхность конуса предотвращает турбулентность и вертикальные потоки, характерные для конусов обычного типа.

Верхняя часть гидроциклона типа ALBIA оснащена устройством для тангенциальной подачи суспензии в аппарат и для вывода очищенной массы, так называемой турбоголовкой типа TurboHead. Гидроциклоны типа ALBIA FRB работают при концентрации массы 1,3−1,4%, производительность − от 500 до 5000 л/мин, перепад давления − 100−120 кПа.

Гидроциклон типа ALBIA 500Т DLR фирмы GL&V кроме тяжелых примесей позволяет удалять легкие включения и воздух из суспензии. Вторичная обработка очищенной массы осуществляется параллельным потоком, который создается в дополнительно встроенном вортексфайндере. Легкие частицы липких веществ, пластмасс, воска и воздух, попадая в центр гидроциклона, удаляются через трубу в верхней части турбоголовки типа TurboHead. Гидроциклон типа ALBIA 1600 предназначен для грубой очистки макулатурной массы с высоким содержанием тяжелых примесей и наполнителей.

Очистная система типа CLEANPAC фирмы GL&V отличается конструкциями впускного отверстия и камеры отходов, а также удлиненным корпусом гидроциклона.

Очистители типа CLEANPAC 270 используются для удаления частиц печатной краски, липких веществ и зольных элементов размером 0,002−0,4 мм² при концентрации макулатурной массы 0,3−0,9%. Модульная конструкция CLEANPAC 270 вмещает три гидроциклона диаметром 60 мм. Конструкция сочетает в себе присущие гидроциклонам большого диаметра надежные эксплуатационные характеристики, высокую производительность, низкий процент отходов с эффективностью гидроциклонов малого диаметра.

Диаметр выпускных отверстий очистителей больше диаметра отверстий на входе массы. Модули изготавливаются в стандартной конфигурации из 2, 4, 8, 12 и 16 очистителей. Перепад давления − 120−170 кПа, пропускная способность − 270−320 л/мин.

Гидроциклон малого диаметра развивает повышенное центробежное ускорение и более высокую эффективность очистки при постоянной подаче массы. Гидроциклоны, установленные в очистителе типа CLEANPAC 270, оборудованы общей гидростатической камерой с отверстиями большого диаметра для вывода отходов, которая определяет скорость отходящего потока каждого циклона и предотвращает их забивание. Выпускные отверстия гидроциклонов большего диаметра, чем отверстия на входе в аппарат.

Система очистки типа CLEANPAC 350 имеет двухстенную конструкцию, что упрощает замену нижнего конуса, т. е. той части очистителя, которая обычно больше других подвергается механическому воздействию. Аппарат имеет двойную внутреннюю поверхность, что обеспечивает непрерывность его эксплуатации. Внешний корпус защищает от утечки массы в случае повреждения очистителя. Поврежденный узел может быть оставлен без контроля до следующей запланированной остановки.

Очистная система типа CLEANPAC 700 предназначена для очистки суспензии от тяжелых примесей. Перепад давления − 120−175 кПа, пропускная способность − 550−670 л/мин.

Система очистки волокнистого полуфабриката типа CLEANPACK 700 состоит из 2, 4 или 8 гидроциклонов. Производительность аппарата при концентрации массы 0,8% составляет 500−600 л/мин, перепад давления − 120−175 кПа.

Очистная установка типа Fibermizer фирмы GL&V применяется на конечной ступени очистки макулатурной массы для снижения потери волокна и наполнителей в системах очистки типа ALBIA и CLEANPAC. Данная установка может состоять из двух ступеней гидроциклонов с эжекторной передачей. Предварительно разбавленные отходы очистки под давлением, которое создается эжектором, поступают на очистную установку типа Fibermizer.

Преимущества очистной установки типа Fibermizer: сокращение потерь волокна до 90%, не требуется дополнительных насосов и емкостей, простая конструкция. Давление на входе в аппарат составляет 50−90 кПа, пропускная способность − 90 л/мин на 1 ступени, расход воды на разбавление − 150−180 л/мин.

Очистная система гидроциклонов типа TRIPAC фирмы GL&V предназначена для очистки суспензии от частиц небольших размеров, в т.ч. частиц печатной краски. Очиститель системы типа TRIPAC 90 состоит из трех гидроциклонов диаметром 60 мм, оборудованных общей камерой отходов типа RBO с отверстием большого диаметра. Очистители устанавливаются в системе под давлением в горизонтальном положении в виде так называемой канистровой модели, состоящей из 35−36 очистителей.

Для очистки макулатурной массы от частиц легких включений используется система реверсивных гидроциклонов типа TRIPAC 90 Reverce, которая устанавливается после системы удаления тяжелых примесей. При очистке макулатурной массы происходит ее сгущение, коэффициент сгущения − 1,0−2,5, чем больше коэффициент сгущения, тем эффективнее удаление примесей. Это позволяет исключить оборудование для сгущения макулатурной массы. Пропускная способность − 260 л/мин, перепад давления − 160 кПа.

Очистка макулатурной массы от частиц легких примесей может осуществляться в горизонтальном гидроциклоне типа GIROCLEAN фирмы Kadant Lamort.

При входе в аппарат массе сообщается ускорение при помощи вращающегося ротора, в результате чего более тяжелые волокна проходят полость аппарата в тангенциальном направлении, а частицы легких включений устремляются в центр потока суспензии и удаляются. Степень удаления частиц легких примесей составляет до 90−99% без потери волокна. Концентрация массы на входе в аппарат − 1,0−2,0%.

С. С. ПУЗЫРЁВ, профессор

Статьи из цикла «Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры»:

Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 13
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 12.2
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 12.1
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 11
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 10
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 9
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 8
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 7
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 6
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 4
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 3
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 2
Ресурсосберегающая технология переработки макулатуры. Часть 1