2.1.1 碎浆设备

碎浆系统按照设备结构和碎浆浓度等分为多种形式，其中立式低浓碎浆系统则是目前浆板碎解流程的主要形式。本文介绍一种新型立式低浓碎浆系统，它具有效率高、能耗省、适用性广、运行控制简单的特点[5]。因此水力碎浆机是造纸过程中碎解废纸或商品浆板最重要的设备[6]。它的运行状态会直接影响产品质量、动力消耗及正常生产。水力碎浆机从结构上说主要有卧式、立式和转鼓三种，从碎浆浓度上说分为低浓（＜6%）、中浓（6%～10%）和高浓（＞10%）。立式水力碎浆机由于其占地面积小，适用于产能小的生产线，而被广泛使用[7]。

立式间歇水力碎浆机主要是靠转子转动产生的机械作用和水力作用来达到碎解纤维的目的，操作浓度一般为6%～8%。这种碎浆机碎浆程度比较稳定，但是单位能耗较大。而立式或卧式连续水力碎浆机电耗比间歇式低，设备利用率高，生产能力大，设备投资费用较少，能耗较低。与低浓碎浆机相比，高浓碎浆机在高浓度下，纤维之间相互产生强力摩擦，可缩短碎浆时间，节约化学药品和动力，降低能耗[8]。

2.1.1.1 转子位置影响

偏心转子碎浆机如图2.1.1所示，转子位于圆筒形浆槽的偏心位置，与普通D型碎浆机相比，该机主要通过对叶轮、浆槽和筛板等零部件的技术改进与结构优化，促进碎浆机工艺性能及能效的提高。

图2.1.1 偏心转子碎浆机示意图

目前，现在应用较为广泛的D型水力碎浆机普遍采用伏克斯叶轮，该叶轮为8叶片形式，高度较低，呈扁平状，轮芯较大，叶片较短，碎浆浓度低，仅为3%～5%。该叶轮搅拌作用较强，但碎解能力不足，两者的比能不够协调，又因配套筛板的过滤面积较小，筛浆能力偏弱，所以产能不高，效率较低，能耗较大。偏心转子碎浆机采用新型高效能叶轮，该叶轮为6叶片形式，高度比伏克斯叶轮高，轮芯较小，叶片较长，碎浆浓度较高，可达8%左右。此外，新型高效能叶轮对叶片的形状、角度和尺寸进行全面优化，在强化碎解作用的同时，适度节省搅拌与混合的能量消耗，并配合较大过滤面积的筛板，增强筛浆能力，从而可以有效提高碎解效率和碎浆产能，相应降低单产能耗。另外，该叶轮还可以用于碎解一些较难碎解的浆板，扩大碎浆机的使用范围。

D型碎浆机的浆槽呈D形，这种槽型虽能改变浆流的回旋路径，实现快速混合，增加浆块与叶轮的碰撞机会，但在直边与圆弧边交界处，浆槽形成转角，对回旋浆流构成冲击，增加叶轮的搅拌能耗。而偏心转子碎浆机采用圆筒形槽体，转子位于浆槽的偏心位置，碎解作业时，偏心位置的叶轮就会产生不对称浆流，实现槽体内各部分浆料间的快速交换和充分混合，大幅增加浆块与叶轮的碰撞机会，因此还可减少槽壁上导流板的设置，进一步减少能量损失。与D形槽相比，偏心圆形槽没有突变的转角，所以能降低浆流回旋阻力，使叶轮的动能充分转换成浆流的回旋速度，从而节省叶轮的搅拌能耗。

偏心转子碎浆机从浆槽底部到槽壁的过渡段采用双锥体过渡，角度经过优化设计，可有效减轻叶轮浆流沿槽壁上升后返转的流动阻力，改善浆流形态，减少浆流上升与返转的能量损耗，提高碎浆机效率。

偏心转子碎浆机用于浆板碎解时，通常会配套重杂物沉渣罐，沉渣罐位于碎浆机旁，通过管道与浆槽底部联通。纸浆疏解泵从沉渣罐处抽取粗浆时，浆槽里的一些粗重杂物会随着浆流排入沉渣罐，然后通过沉渣罐底部的一组排渣阀间歇排放。偏心转子碎浆机配置沉渣罐后，能及时清除碎浆机里的一些粗重杂物，减轻叶轮等零部件的磨损，提高设备使用寿命。

水力碎浆机的碎解作用主要取决于机械剪切、机械破碎和水力剪切，而搅拌、冲撞、打散和筛选则是影响碎解效能的关键因素。为提高碎浆机的综合性能，达到增效、降耗的目的，必须改善叶轮的机械作用和搅拌效率，并在加强浆流循环效果、加快混合速度的同时，减少浆槽的流动阻力。偏心转子碎浆机对各项相关因素进行综合平衡，并应用高效碎解和节能搅拌技术，对叶轮、槽体和筛板等进行全面改进与结构优化，节能效率可达25%左右，对同一规格的碎浆机来说，在同等碎解度下，可提升产能10%～30%。偏心转子碎浆机作为一项新型高效节能产品，将成为卫生纸生产过程节能降耗的重要装备。

偏心式碎浆机可以提供适当的缓存空间以及供纤维润胀的时间，通过制造强度均衡的立体水力梯度，达到碎浆功能，同时具备高强的混合功能，产生高效的物料交换。VOITH公司的偏心碎浆机（IntensaPulper）与传统碎浆机比较，如表2.1.1所示。VOITH公司独特的偏心创意优化了立体水力层和速度梯度、高效物料混合和置换效果，节能超过20%。

表2.1.1 偏心式碎浆机与传统碎浆机耗能比较

2.1.1.2 转子结构影响

转子是水力碎浆机的关键部件。它的结构形式和技术参数直接影响着水力碎浆机的碎解能力和能量的消耗。转子直径的大小、刀片的数目、长度和宽度、形状和排列位置等都是重要的因素。一般来说，转子直径过小，不能保证浆料的循环；转子直径过大，会增加动力消耗。因此，为保证浆料的循环良好，动力消耗低，且碎浆效率高，转子的直径选用槽体的直径1/3～1/2为宜。对于多刀片式转子，刀片的数目要多一些，且分布在不同的区域内，中心区域宜放置数量少且较高的刀片，外围则放置数量多而高度低的刀片，对于螺旋型转子，一般槽体的直径为叶轮直径的2倍以上，转子高度与叶轮直径相同。

传统型的湍流循环为主体的对称性多刀片式转子最具代表为节能型伏克斯转子（Power Save Vokes Rotor，简称PS）。PS转子的改进是标准伏克斯转子基础上将转翼厚度改薄一半，同时增设4片立式弧形翼瓣，使浆料循环回流继续保持良好。这一改进使节能型伏克斯转子与标准伏克斯转子相比，相同产量可节能20%～30%，相同的动力能耗可提高生产能力20%～30%。20世纪70年代，为了适应发展，我国对PS型的伏克斯转子进行改进为拆装式。之后Cellwood Machinery AB公司2004年在此基础上开发出两种S形转子。它的特点是可使纸浆通过筛板的流量更大，节省能耗。最近美国KadantB lack Clawson公司开发一种称为Vortech的新型转子，转子外缘为8个叶片，中间是突出的圆锥体。这种新型的水力碎浆机与相同规模的设置Vokes转子的水力碎浆机相比，电机装机容量从348kW减少至263kW，平均可节省能耗24%。陈楚晓也介绍一种水力碎浆机的新型转子FSW-3转子。它有6个独特的旋翼，3个突出的流线形碎浆旋翼，可以产生强烈的涡流效果从而使浆料产生内循环，这种内循环对浆料有拉入作用，使浆料迅速与转子接触，缩短废纸浆在水力碎浆机内的无效旋转时间。提高水力碎浆机的碎浆效率，大大降低碎浆能耗，提高碎浆产能。

涡流循环型为主体的螺旋式转子，与浆料的接触面积大，可在12%～16%碎浆浓度下运行，作用效果显著，是目前大部分高浓碎浆设备转子的主要形式。据转子节能专利公报，螺旋转子下端设计为对称直板或开口弦形扇面等形式，增强甩送阶段的离心力，使浆料纤维分离速度加快，提高纸浆浓度，节省能耗。万金泉等设计变螺径式转子，与伏克斯转子进行中试对比，结果表明这样能使碎浆能耗降低22%。

2.1.1.3 转速的影响

转速是影响水力碎浆机工作性能的另一个重要因素。转速过低（如在915m/min以下），转盘只能起到初步撕破纸片儿或浆板的作用，没有分散纤维的作用；提高转速，则可以加速浆料的循环，增强碎解和分散纤维的作用，而从相应地缩短碎浆时间，提高设备利用率，但动力消耗随之增加。多项研究已经证明转子转动动力消耗和转子的速度有一定的关系，有学者发现当浆浓一定时，转子转速增大，动力消耗也随之增大。