СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR PROCESSING FIBRE MATERIAL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к способу обработки волокнистого материала.
Уровень техники
Волокнистую древесную массу и щепу обычно измельчают посредством ножевых измельчителей для разделения волокон и приведения их к состоянию, оптимальному с точки зрения продукта, который будет изготовлен из этих волокон, а также с точки зрения технологического процесса. Измельчение является крайне важным этапом в процессе производства волокнистых продуктов. Для измельчения характерны значительные затраты энергии, а также ухудшение тех или иных свойств волокон и изготовленных из них продуктов, например, уменьшение содержания волокон, а также ухудшение обезвоживания, прочности на разрыв и уменьшение толщины бумаги. Современная технология измельчения все еще далека от теоретического оптимума с точки зрения затрат энергии и характеристик качества.
Измельчение сжатием, применяемое для волокнистого материала, было предметом нескольких предшествующих исследований в отношении измельчения химической древесной массы, и для этих исследований были созданы опытные образцы машин, однако упомянутые опытные образцы машин непригодны для использования в технологическом процессе. Применение измельчения сжатием для обработки механической древесной массы раскрыто, например, в патентах US 5540392 и US 7758720 В2, однако в данных решениях предусмотрено использование оборудования для сжатия винтового типа.
Раскрытие изобретения
Одна задача изобретения состоит в усовершенствовании обработки волокнистого материала с точки зрения снижения затрат энергии, необходимой для образования волокнистой массы и формирования волокон, а также улучшения свойств волокон.
Данная задача изобретения решена посредством способа в соответствии с п. 1 формулы изобретения, вибрационной дробилки в соответствии с п. 4 формулы, и использования вибрационной дробилки в соответствии с п. 5 формулы.
Способ обработки волокнистого материала согласно одному варианту осуществления изобретения содержит измельчение волокнистого материала, используемого в производстве волокнистого продукта и содержащего волокна, для облегчения образования из него волокнистой массы и/или его химической обработки. В упомянутом способе измельчение волокнистого материала выполняют как измельчение сжатием, осуществляемое посредством вибрационной дробилки.
Термин "волокнистый материал" используется, например, в отношении щепы, применяемой в качестве сырья в производстве бумаги и/или картона, и/или к механической, химико-механической или химической (целлюлоза) древесной массе, полученной из органического материала, содержащего волокна. Волокнистый материал содержит материал на основе древесины и/или не на основе древесины, например, материал типа тростника или соломы, например, бамбук и/или хлопок.
Термин "волокнистый продукт" используется, например, в отношении бумаги, картона, а также композитного материала, содержащего микро- и/или наноцеллюлозу. Кроме того, волокнистым продуктом может быть биотопливо, произведенное из материала на основе лигноцеллюлозы.
Термин "образование волокнистой массы" используется, например, в отношении разделения волокнистого материала на пучки волокон, состоящие из находящихся в контакте друг с другом волокон, и/или на отдельные волокна.
Термин "химическая обработка" используется, например, в отношении методов химической обработки, предназначенных для делигнификации материала, например к сульфатной и/или сульфитной варке, отбеливанию кислородом, кислотной и щелочной обработке, используемым в производстве полухимических древесных масс. Кроме того, химическая обработка относится, например, к методам химической обработки, предназначенным для отбеливания волокнистого материала, например, к отбеливанию на основе пероксида, дитионита и/или хлора. Указанный термин относится также, например, к таким методам химической обработки, как обработка с применением химиката TEMPO и методы ферментативной обработки, используемым в производстве микро- или наноцеллюлозы.
Термин "измельчение сжатием" используется, например, в отношении обработки щепы и/или волокон путем сжатия волокнистого материала, что способствует образованию из волокнистого материала волокнистой массы и/или повышению внутреннего фибриллирования и способности модификации волокон.
Термин "вибрационная дробилка" используется, например, в отношении вибрационной дробилки или вибрационной мельницы, в которых сжатие обычно используется для измельчения, например, агрегированного материала посредством дробящего конуса, имеющегося в камере (зоне) дробления. В процессе измельчения агрегированного материала его транспортируют в камеру дробления, где он попадает в ограниченное пространство между дробящим конусом и стенкой камеры дробления, в результате чего измельчаемый агрегированный материал раздробляется на мелкие кусочки, превращаясь в гравийную или каменную пыль.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения вибрационная дробилка, предназначенная для обработки волокнистого материала, снабжена камерой дробления, которая содержит элементы подачи, содержащие по меньшей мере одно впускное отверстие, элементы выгрузки, содержащие по меньшей мере одно выпускное отверстие, и по меньшей мере один дробящий конус или измельчитель, установленный в камере дробления и выполненный с возможностью прижимания волокнистого материала к по меньшей мере одной внутренней поверхности камеры дробления, причем упомянутые элементы подачи выполнены с возможностью подачи в камеру дробления волокнистого материала, подлежащего измельчению путем сжатия, и упомянутые элементы выгрузки выполнены с возможностью перемещения из камеры дробления волокнистого материала, измельченного путем сжатия. Вибрационная дробилка выполнена с возможностью измельчения путем сжатия волокнистого материала, который используют для производства волокнистого продукта и который содержит волокна, для облегчения образования из него волокнистой массы и/или его химической обработки.
При использовании вибрационной дробилки для обработки волокнистого материала в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, указанную вибрационную дробилку используют для измельчения путем сжатия волокнистого материала, который используют в производстве волокнистого продукта и который содержит волокна, для облегчения образования из него волокнистой массы и/или его химической обработки. Вибрационная дробилка снабжена камерой дробления, которая содержит элементы подачи, содержащие по меньшей мере одно впускное отверстие, элементы выгрузки, содержащие по меньшей мере одно выпускное отверстие, и по меньшей мере один дробящий конус (измельчитель), установленный в камере дробления и выполненный с возможностью прижимания волокнистого материала к по меньшей мере одной внутренней поверхности камеры дробления, причем упомянутые элементы подачи выполнены с возможностью подачи в камеру дробления волокнистого материала, подлежащего измельчению путем сжатия, а упомянутые элементы выгрузки выполнены с возможностью перемещения волокнистого материала, измельченного путем сжатия, из камеры дробления.
Другие варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Способ в соответствии с вариантами осуществления изобретения, предназначенный для предварительной обработки волокнистого материала, обеспечивает более быстрое измельчение волокнистого материала, экономию энергии, затрачиваемой на весь процесс измельчения, и/или усовершенствование и регулирование в более широком диапазоне в отношении технических свойств бумажных волокон, по сравнению с измельчением резанием без предварительной обработки. В некоторых случаях, надлежащую обработку может обеспечивать одно только измельчение сжатием, без использования измельчения резанием.
Экономия в затратах энергии, достигаемая при осуществлении способа в соответствии с вариантами осуществления изобретения, является существенной, поскольку при измельчении сжатием количество воздействий, получаемых волокнистым материалом, меньше, но сила отдельных воздействий, как правило, выше, по сравнению с обычным измельчением резанием. Таким образом, увеличивается, например, количество пластических деформаций по отношению к количеству упругих деформаций, в связи с чем уменьшается количество энергии, необходимое для изменения состояния материала. Кроме того, для перемещения участвующего в измельчении материала через вибрационную дробилку требуется очень небольшое количество энергии, причем перемещение может происходить, например, под действием силы тяжести. С учетом производственных мощностей установки для изготовления бумаги и/или древесной массы, это обеспечивает значительную экономию энергии в статье затрат на насосную подачу.
Краткое описание чертежей
Подробное описание чертежей относится, в частности, к примерам вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
- на фиг. 1 показана блок-схема способа обработки волокнистого материала;
- на фиг. 2а-2d показан принцип измельчения сжатием и его воздействие на свойства волокнистого материала; и
- на фиг. 3 показаны функциональные модули вибрационной дробилки, с помощью которой осуществляют упомянутый способ.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан способ 100 обработки волокнистого материала, например, древесной щепы или древесной массы, то есть целлюлозной массы, используемой в производстве волокнистого продукта, например, бумаги или картона, при котором упомянутый волокнистый материал измельчают для облегчения образования из него волокнистой массы и/или его химической обработки.
Начальный этап 102 содержит обеспечение наличия сырья для древесной целлюлозы, запуск машин и оборудования, необходимого для выработки, обработки и перемещения древесной массы.
При использовании в качестве сырья, например, березы, ели или сосны, этап 110 содержит производство древесной щепы или древесной массы, содержащей древесные волокна, которые являются отдельными волокнами или находятся в контакте друг с другом.
В случае использования так называемой непросушенной поточной древесной массы, произведенную древесную массу перемещают путем подачи ее насосом на этапе 120, например, по специализированному трубопроводу к установке для производства бумаги и/или древесной массы, непосредственно в резервуар измельчителя, для ожидания измельчения. В альтернативном варианте, в случае, если произведенную древесную массу сушат с получением кипованной древесной массы для транспортировки и/или хранения, высушенную кипованную древесную массу транспортируют к установке для производства бумаги и картона, в которой используют разбиватель древесной массы для размельчения кипованной древесной массы посредством воды для создания текучей древесной массы однородной консистенции, которая может быть подана насосом по системам трубопроводов установки в резервуар измельчителя.
На этапе 130 измельчение древесной массы осуществляют в виде измельчения сжатием, которое выполняют с использованием по меньшей мере одной соответствующей вибрационной дробилки, интегрированной в линию обработки древесной массы установки.
На фиг. 2а и 2b показан принцип измельчения сжатием, которое может быть использовано в качестве единственного измельчения волокнистого материала или же может опционально выполняться в качестве предварительной обработки перед обычным измельчением резанием. При измельчении сжатием волокнистый материал 250 сжимают, как показано на фиг. 2а, между двумя цилиндрическими поверхностями посредством подходящей вибрационной дробилки 200, причем волокнистый материал, поступающий через впускное отверстие 210, сжимают между внутренними стенками 222а, 222b камеры 220 дробления, а дробящий конус или измельчитель 230 перемещается в камере 220 дробления, в результате чего древесные волокна 250, используемые в качестве волокнистого материала, подвергаются, прежде всего, усилиям сжатия, действующим в поперечном сечении на волокна, как обозначено стрелками на левом и на среднем изображениях на фиг. 2b. На продольном виде 260 фрагмента волокна 250 в точке В, показанной на среднем изображении на фиг. 2b, показана волокнистая структура, в которой в клеточной стенке между микрофибриллами 264 присутствует гемицеллюлоза 262, обеспечивающая для упомянутой структуры усиление адгезивного типа между фибриллами 264. Задача измельчения сжатием при изменении волокна состоит, в частности, в разрыве поперечных связей 266, образованных гемицеллюлозой 262. Обработанный сжатием волокнистый материал выгружают из камеры 220 дробления через выпускные отверстия 240а, 240b.
Задача измельчения сжатием в отношении изменения волокна состоит в повышении внутриволоконного фибриллирования и возможности изменения волокон, чтобы, помимо прочего, повысить способность волокон воспринимать механические напряжения при измельчении резанием. При обычном измельчении резанием происходят несколько различных явлений, таких как выпрямление волокон, внутри- и внешневолоконное фибриллирование, разрывы волокон, а также формирование мелких волокон. На эти явления можно влиять только в ограниченной степени путем изменения условий измельчения. При измельчении сжатием вышеупомянутые явления также происходят, но в другой пропорции, таким образом, что преобладает внутреннее фибриллирование. Как предполагалось, во многих случаях внутреннее фибриллирование является весьма благоприятным явлением с точки зрения улучшения качественных характеристик, главным образом прочности, волокнистого материала, например, древесной массы. Кроме того, обработанное сжатием волокно, например, древесное волокно, является намного более податливым и тем самым может вести себя по-другому в процессе измельчения резанием, например, может быть сокращен объем процессов разрыва древесного волокна и формирования мелких волокон.
На фиг. 2с показано влияние обработки сжатием, выполненной в качестве предварительной обработки, на прочность на разрыв бумаги, изготовленной из древесной целлюлозы при различных степенях фильтрации волокнистой массы (оцениваемой в условных градусах Шоппера-Риглера, или °ШР). Как очевидно из данного чертежа, при соответствующей предварительной обработке можно достигать значительно более высокой прочности на разрыв для заданной степени фильтрации.
На фиг. 2d показано влияние обработки сжатием на ширину древесного волокна, что отражает разбухание древесного волокна, вызываемое внутренним фибриллированием. Кроме того, измельчение сжатием способствует стимуляции проникновения химикатов, используемых в процессе обработки, в волокнистый материал.
В случае, если на этапе 132 требуется подвергнуть измельченную вибрационным методом древесную массу повторной обработке в вибрационной дробилке, осуществляют возврат к этапу 130 измельчения сжатием. Если степень измельчения, достигнутая измельчением сжатием, достаточна, переходят к этапу 138 упомянутого способа.
Если на этапе 138 требуется подвергнуть дальнейшей обработке измельченную методом сжатия древесную массу, она может быть далее подвергнута измельчению резанием и/или химической обработке на этапе 140, при этом измельчение сжатием выполняет функцию предварительной обработки для измельчения резанием и/или для химической обработки. Кроме того, возможен вариант, когда химическую обработку древесной массы проводят в процессе измельчения сжатием.
В случае, если измельчение древесной массы содержит только измельчение в вибрационной дробилке, переходят непосредственно к этапу 150 упомянутого способа.
На этапе 150, после измельчения резанием или, как альтернативный вариант, измельчения сжатием, измельченную древесную массу направляют путем подачи ее насосом по соответствующим системам трубопроводов, или в высушенном состоянии, к бумаго- или картоноделательной машине для изготовления в ней бумаги, картона или других волокнистых изделий.
На этапе 152 происходит завершение упомянутого способа обработки древесной массы.
На фиг. 3 в поперечном сечении показана вибрационная дробилка 300 типа KID 300К, используемая для дробления полезных ископаемых и подходящая для обработки сжатием волокнистого материала.
Упомянутая KID машина 300 может быть использована для измельчения волокнистого материала, причем в ней достигают такого измельчения, какое получают посредством ножевых измельчителей, предназначенных для волокнистого материала. В результате испытаний было обнаружено, что измельчение волокнистого материала, выполняемое посредством упомянутой машины 300, для достижения различных свойств, может быть дополнено обработкой посредством обычного оборудования для измельчения волокнистого материала. В конечном результате, это обеспечивает, с одной стороны, повышение уровня качества волокнистого материала и, с другой стороны, сокращение расходов энергии на измельчение.
Вибрационная дробилка 300 содержит, например, регулирующее кольцо 302, камеру 320 дробления (зону сжатия) с внутренней стенкой 322, дробящий конус (измельчитель) 330, генератор 304 вибраций, блок 306 привода, опору 308, 342 рамы, опору 312 конуса, усиливающее кольцо 314, шариковую опору 316, раму 318, амортизатор 324, стакан 326, крышку 328, элементы 310 подачи, содержащие впускное отверстие (приемное отверстие, зону подачи), средство 332 защиты, подшипниковый узел 334, один или более крепежных болтов 336, штуцер 338 для подачи смазки, один или более дренажных штуцеров 342а, 342b и элементы 340 выгрузки, содержащие выпускное отверстие.
Волокнистый материал подают в машину через впускное отверстие 310, и материал перемещается через машину 300 под действием силы тяжести или перепада давления, измельчаясь по ходу перемещения. Волокнистый материал сжимают между камерой 320 дробления и стенкой 322 и выгружают из нижней части машины 300 посредством элемента 340 выгрузки. Необходимую степень помола обрабатываемого волокнистого материала устанавливают перед обработкой. Кроме того, на количество и силу воздействий, прикладываемых к волокнистому материалу, а также на перемещение волокнистого материала через зону сжатия (то есть, на производительность), может влиять по меньшей мере один из следующих факторов: частота вибраций дробящего конуса 330, зазор между конусом 330 и стенкой 322 камеры дробления, степень смещения эксцентрической массы, ширина зоны измельчения, диаметр конуса 330 и количество циклов обработки.
Каждый из вышеупомянутых факторов, включая степень помола, должен быть оптимизирован по отдельности для достижения требуемых свойств волокон, уровня затрат энергии, а также производительности машины, необходимой для различных случаев.
Конструкция конической секции 310, 320, 322, то есть зона подачи и сжатия, может иметь различные варианты осуществления. Альтернативный вариант осуществления может быть таким, что непосредственно коническая секция 310, 320, 322 отсутствует и/или, главным образом, зона 320, 322 сжатия выполнена цилиндрической. В этом случае ширина зоны 320, 322 сжатия может быть отрегулирована в процессе работы вибрационной дробилки 300 (в интерактивном режиме), хотя регулирование зазора станет немного более сложным. В альтернативном варианте, зона 320, 322 сжатия может также быть слегка конической, благодаря чему сужение зоны 320, 322 сжатия приведет также к увеличению зазора. Для оказания воздействия на работу машины 300 можно также использовать шероховатость и/или профиль, например, рифленый профиль, на поверхности материала конусов 310, 320, 322.
Описанные выше варианты являются всего лишь несколькими иллюстративными вариантами осуществления настоящего изобретения. Принцип, предложенный в соответствии с настоящим изобретением, может иметь вариации в пределах объема правовой охраны изобретения, определенного формулой изобретения, относительно, например, деталей осуществления изобретения или областей его использования.