曹安港 趙顯濤 丁春華

（1.鄭州科技學(xué)院機械工程學(xué)院，河南鄭州，450064；2.中國船舶集團公司第七〇三研究所，黑龍江哈爾濱，150078）

生物酶制漿是采用高基生物酶分解生物質(zhì)纖維與高效設(shè)備相結(jié)合的一種制漿技術(shù)。圖1所示生物酶制漿系統(tǒng)是國內(nèi)外領(lǐng)先的生物酶制漿技術(shù)，它與傳統(tǒng)的堿法和亞硫酸鹽法制漿不同，從技術(shù)源頭上保證不再出現(xiàn)傳統(tǒng)制漿的污染排放，可節(jié)省巨額治污及能源消耗費用[1-3]。

圖1 生物酶制漿系統(tǒng)Fig.1 Bioenzyme pulping production system

單軸臥螺擠漿機是生物酶制漿系統(tǒng)輸出紙漿的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于漿料的濃縮及反應(yīng)水的分離，且分離的反應(yīng)水可循環(huán)使用，具有出漿濃度高、生產(chǎn)效率高、壓濾脫水能力強等特點。目前，一臺直徑600 mm的單軸螺旋擠漿機的生產(chǎn)能力約為100 t/d，出漿濃度為35%～42%。因此，提高制漿濃度可顯著降低制漿成本。在不影響生產(chǎn)效率的情況下，如何提高制漿濃度是螺旋擠漿機面臨的困難之一[4-5]。

生物酶制漿目前現(xiàn)有的螺旋擠漿機雖然可以使用，但效率及紙漿濃度低。由于采用酶促工藝，沒有機械損傷和高溫蒸煮，紙漿纖維比較完整，從而更容易纏繞，脫水更難[6-8]。本課題根據(jù)生物酶的生產(chǎn)工藝特點和漿料特性，對單軸臥式螺旋擠漿機進行了改進。現(xiàn)場擠漿試驗表明，本課題設(shè)計的單軸臥式螺旋擠漿機提高了紙漿濃度，能夠滿足生物酶制漿生產(chǎn)的需要。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

單軸臥螺擠漿機主要由減速電機、螺旋軸、篩鼓濾網(wǎng)、真空裝置、背壓裝置及進出料箱等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。其中螺旋軸采用變徑變距連續(xù)螺旋結(jié)構(gòu)，分為輸送段、壓縮段及出料段，輸送段起到進料推送的作用，并確定了螺旋的處理能力；壓縮段起到形成濾餅，并壓縮物料進行脫水的作用，具有一定壓縮比，可使物料通過體積變化逐漸壓縮，是螺旋的關(guān)鍵區(qū)域；出料段起到均勻出料和形成機頭壓力的作用。篩鼓濾網(wǎng)采用條形間隙結(jié)構(gòu)，分為進料區(qū)濾網(wǎng)、低壓區(qū)濾網(wǎng)、中壓區(qū)濾網(wǎng)及高壓區(qū)濾網(wǎng)。進料區(qū)濾網(wǎng)主要由弧形濾網(wǎng)及半圓形濾網(wǎng)組成，通過充滿漿料使其下部形成密閉空間，形成真空抽水；低、中、高壓區(qū)濾網(wǎng)皆為筒形結(jié)構(gòu)，其濾網(wǎng)間隙逐漸變小。真空裝置主要由真空泵及密封腔組成，使物料在濾網(wǎng)的上下兩側(cè)形成壓力差，可進行物料預(yù)過濾及增強濾餅的滲透率，可有效解決壓力反流、間隙反流及壓力回吸等問題，提高生產(chǎn)效率及出漿濃度；背壓裝置主要由錐形外環(huán)、可調(diào)節(jié)錐形內(nèi)環(huán)及氣缸背壓系統(tǒng)等組成，通過調(diào)節(jié)氣缸的壓力，從而調(diào)整機頭壓力，以控制出漿濃度[9-10]。

圖2 單軸臥螺擠漿機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure drawing of uniaxial horizontal screw extruder

單軸臥螺擠漿機的分離原理是利用螺旋旋轉(zhuǎn)推送，通過變徑變距使濾餅體積變化，壓縮物料，使液體通過纖維層從濾網(wǎng)流出，分離原理圖見圖3。內(nèi)部壓力的形成主要依靠出料段的背壓裝置，使?jié){料液體在纖維多孔介質(zhì)內(nèi)部通道做滲流流動，液體通過濾網(wǎng)介質(zhì)過濾，固體顆粒被過濾介質(zhì)截流，從而實現(xiàn)固液分離。物料和濾餅處于多維壓榨狀態(tài)，當(dāng)物料脫水達到一定程度時，物體微粒在過濾介質(zhì)表面堆積形成濾餅，在一定程度上也起到過濾固體物的作用。由于螺旋的作用，螺棱在螺桿旋轉(zhuǎn)過程中不斷地刮擦濾餅層，使濾餅層厚度無法增加，但其含水率隨脫水過程不斷降低。

圖3 單軸臥螺擠漿機分離原理圖Fig.3 Separation schematic diagram of single shaft horizontal screw extruder

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

單軸臥螺擠漿機的工作過程為進料、擠壓脫水和出料等。物料通過螺旋軸進料段進行推送，進料段的尺寸和體積確定了螺旋的處理能力，但其尺寸越大，建壓所需要的時間就越長，推送的填充量越小，導(dǎo)致分離效率低，能耗大。物料進入壓縮段后，通過螺旋的變徑變距，體積逐漸變小，壓縮物料脫水。為了提高脫水效果，一般需增大壓縮比，但同時增大了螺旋腔內(nèi)的壓力差，容易形成壓力反流及間隙反流，降低了物料的脫水效率。物料進入出料段后，螺距變小，且物料經(jīng)脫水類似固體，流動性差，易形成回吸現(xiàn)象及導(dǎo)致堵塞無法出料。針對以上問題，本課題提出了增加進料真空裝置進行預(yù)脫水，采用濾網(wǎng)與軸孔共同作為過濾介質(zhì)，使壓榨液體向內(nèi)外同時排放，并通過真空裝置增加壓力差，以提高排水效率；同時優(yōu)化了背壓裝置結(jié)構(gòu)，通過控制體積，以及背壓進行出料段的再次壓榨，以提高物料濃度[11-12]。

2.1 螺旋軸設(shè)計

生物酶漿料懸浮液的纖維網(wǎng)絡(luò)依靠纖維相互交纏而成，其濃度越高，纖維含量越多，纖維網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定，強度越大。實驗研究表明，濃度8%以上漿料的纖維網(wǎng)絡(luò)具有明顯的強度，其在螺旋中平均流速較低的情況下，易導(dǎo)致靠近濾網(wǎng)的漿料滯流，使靠近螺旋葉片底部的漿料呈現(xiàn)短路流動，即溝流現(xiàn)象。根據(jù)生物酶漿料的特性及生產(chǎn)能力要求，綜合考慮并設(shè)計螺旋軸的直徑、長徑比、壓縮比、螺距、螺旋葉深、螺旋型面、濾網(wǎng)間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)，并合理設(shè)計工作轉(zhuǎn)速，使生物酶漿料流速穩(wěn)定，避免出現(xiàn)滯流及溝流現(xiàn)象，提高生產(chǎn)效率。

本課題設(shè)計的螺旋軸分為進料段、低壓段、中壓段、高壓段及出料段5段，如圖4所示。進料段采用螺距較大的兩段螺旋，此處增加真空預(yù)脫水，使進料濃度增大，進料能力增強；低、中、高壓段采用逐級壓縮比增大，穩(wěn)定壓縮逐步脫水。出料段采用內(nèi)錐環(huán)結(jié)構(gòu)，進行二次壓榨。螺旋軸的螺旋部分采用變距變徑螺旋結(jié)構(gòu)，即螺旋槽深度由深逐漸變淺、螺旋升程由寬逐漸變窄，漿料逐漸受到壓縮。為減少漿料在壓縮過程中的相對運動及降低功率消耗，設(shè)計采用段間壓縮比基本一致的方案，使?jié){料受到的壓力均勻增大。

圖4 螺旋分區(qū)圖Fig.4 Spiral zoning map

當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)動時，物料受到葉片的法向推力、切向摩擦力及螺旋與濾網(wǎng)間軸向和周向摩擦力，在合力作用下做類螺旋運動（見圖5），在螺旋擠壓漿料穩(wěn)定運行時，螺旋型面對物料的法向推力（Ff）如式（1）所示。

圖5 螺旋受力圖Fig.5 Spiral force diagram

式中，f為物料與濾網(wǎng)間摩擦系數(shù)；D為螺旋外徑；d為螺旋內(nèi)徑；β為螺旋升角；s為螺距；δ為螺旋與濾網(wǎng)間隙；Fz為螺旋與濾網(wǎng)間的周向摩擦力；θ為進料填充系數(shù)；ρ為物料密度。

由式（1）可見，螺旋截面形狀對漿料擠壓具有很大影響。本課題設(shè)計采用鋸齒形截面，減少了對漿料的徑向分力，增大軸向分力，略增加漿料與濾網(wǎng)間摩擦力，有利于漿料的推進[13-14]。

2.2 濾網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)物料的性質(zhì)及對擠壓脫水過程的分析，本課題設(shè)計的裝置包括進料弧形條狀楔形篩、與螺旋配合的圓筒條狀楔形篩、軸上輔助圓孔篩。條狀楔形篩具有抗擠壓強度大、處理能力好，且其具有自我清潔能力，能很好地避免濾網(wǎng)堵塞。設(shè)計中按螺旋壓力分布區(qū)域，濾網(wǎng)尺寸設(shè)計為低壓區(qū)2 mm（孔隙率約62%）、中壓區(qū)1.5 mm（孔隙率約48%）、高壓區(qū)1 mm（孔隙率31%），設(shè)計并控制濾網(wǎng)與螺旋軸配合間隙為0.8～1.0 mm。另外，為減少排水阻力和縮短排水距離，減少高壓區(qū)的液體回吸，在螺旋軸表面設(shè)計輔助圓孔篩及軸心排水結(jié)構(gòu)，使?jié){料擠壓后可向內(nèi)外同時排水，可有效提高漿料的排水效率。

2.3 真空裝置設(shè)計

進料區(qū)域的物料含水率高，采用真空形成壓力差進行預(yù)脫水，可提高單軸臥螺擠漿機的加壓脫水效率。本課題中裝置設(shè)計有單獨的進料箱體，由進料分料板、弧形條狀楔形篩、半圓筒條狀楔形篩、密封箱體及軟管真空泵等組成（見圖6）。當(dāng)物料液面高度超過上置的弧形條狀楔形篩后，由物料、濾網(wǎng)及密封箱體下部形成密閉的空間，由真空泵將氣體及重力回水抽出，使?jié){料在濾網(wǎng)的上下側(cè)形成壓力差，進行漿料的預(yù)脫水，可使?jié)舛?%～10%漿料脫水至濃度15%左右。

圖6 真空預(yù)脫水裝置Fig.6 Vacuum dewatering device

2.4 出料錐環(huán)及背壓裝置設(shè)計

單軸臥螺擠漿機依靠壓縮作用而濃縮脫水，形成壓力至關(guān)重要，其主要依靠螺旋葉片間的體積變化及出料的背壓裝置實現(xiàn)。本課題設(shè)計出料箱包括出料錐環(huán)及背壓裝置，出料錐環(huán)采用內(nèi)錐配合可相對旋轉(zhuǎn)進行二次壓榨，錐環(huán)外套與背壓裝置相聯(lián)接，通過調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力及出料面積，實現(xiàn)對輸出漿料產(chǎn)生反向壓力的作用，可根據(jù)需要調(diào)整此壓力，以調(diào)節(jié)擠出漿料的濃度及產(chǎn)量。

3 性能分析

3.1 轉(zhuǎn)速計算

螺旋軸轉(zhuǎn)速決定了漿料在擠漿機內(nèi)的停留時間，進而影響生產(chǎn)能力和出漿濃度，同時考慮漿料層的圓周速度與軸向速度的一致性。研究表明，當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速超過一定值后，漿料的內(nèi)層圓周速度小于外層，軸向速度大于外層，反之亦然，易出現(xiàn)漿料打滑現(xiàn)象。因此按螺旋參數(shù)可根據(jù)式（2）計算其最大轉(zhuǎn)速，約為58 r/min，本課題取20 r/min，與常規(guī)產(chǎn)品基本一致。

式中，n為螺旋轉(zhuǎn)速；β為螺旋升角；α為摩擦角，γ為物料運動絕對速度與水平間夾角；R為螺旋外半徑[15-16]。

3.2 生產(chǎn)能力計算

擠漿機的生產(chǎn)能力與螺旋輸送流量、壓力反流流量及間隙反流流量有關(guān)，為其差值，可見控制反流流量可提高整機的推送效率，其中物料黏度為影響反流的主要因素。經(jīng)推導(dǎo)，生產(chǎn)能力（Q）的計算見式（3）。由式（3）可見，物料黏度、孔隙率、間隙值等對產(chǎn)量影響較大，可在設(shè)計中充分考慮。

式中，D為螺旋外徑；n為螺旋轉(zhuǎn)速；δ為螺旋與濾網(wǎng)間隙；H為螺旋槽深；β為螺旋升角；η為物料黏度；b為濾餅厚度；e為孔隙率，P為壓力差。

經(jīng)改進設(shè)計，本課題設(shè)計的裝置螺旋與濾網(wǎng)間隙縮小、預(yù)脫水物料黏度增大、孔隙率變小等皆可有效降低反流現(xiàn)象，按簡化工程生產(chǎn)能力計算見式（4）。由式（4）可計算本課題設(shè)計的裝置的生產(chǎn)能力約為138 t/h，在出漿濃度提高的情況下，生產(chǎn)能力較常規(guī)設(shè)計提高了15%～20%。

式中，Dcp為第一節(jié)螺旋的平均直徑；θ為進料填充系數(shù)；β為螺旋升角；A為第一節(jié)螺旋的法向截面積；n為螺旋轉(zhuǎn)速；r為絕干漿密度；c為進料濃度[17-18]。

3.3 出漿濃度估算

出漿濃度與螺旋壓縮比、真空脫水率、物料的滲透系數(shù)、漿料的壓力等因素相關(guān)，且以上因素互相影響。當(dāng)漿料擠壓脫水后，含水率下降，物料黏度升高，滲透系數(shù)減小，黏度升高使?jié){料脫水增加，而滲透系數(shù)減小使?jié){料脫水減少。本課題中根據(jù)質(zhì)量守恒定律，建立了脫水量模型，優(yōu)化了螺旋軸的段間壓縮比，提高了脫水率，詳見圖7，脫水量的平衡方程見式（5）和式（6）。

圖7 螺旋脫水量模型Fig.7 Spiral dewatering model

式中，QM1為脫水質(zhì)量；T(x)單位長度的脫水量；q為脫水濃度；L為螺旋有效長度；KT(x)為脫水量的形函數(shù)；q為出漿濃度；Cd為流量系數(shù)；A為節(jié)流面積；ρ為排出水的密度；△p為小孔兩端壓差[19-20]。

本課題設(shè)計裝置的進料濃度為8%～10%，真空預(yù)脫水后為15%～20%，壓縮比3.7，預(yù)計經(jīng)螺旋擠壓后出漿濃度為45%～55%，較常規(guī)設(shè)計提高30%以上。

4 試驗驗證

根據(jù)前文的計算，設(shè)計了單軸臥螺擠漿機的樣機，并在生產(chǎn)線上進行了紙漿擠出試驗。擠漿機樣機如圖8所示，擠出后的紙漿如圖9所示。

圖8 擠漿機樣機Fig.8 Sample pieces of the extruder

圖9 擠出漿料Fig.9 Pulp after extrusion

每天對紙漿濃度和生產(chǎn)能力進行統(tǒng)計和計算。生產(chǎn)線7天的紙漿濃度、生產(chǎn)能力及與現(xiàn)有設(shè)備的比較如表1所示。由表1可知，設(shè)備產(chǎn)能達128 t/d，比傳統(tǒng)制漿設(shè)備設(shè)計產(chǎn)能提高15%以上。

表1 紙漿濃度與產(chǎn)量統(tǒng)計Table 1 Statistics of concentration and yield of pulp

上述結(jié)果與之前的計算結(jié)果基本一致。紙漿濃度和生產(chǎn)產(chǎn)能比計算值小，但偏差不大，與計算結(jié)果吻合。本課題通過對單軸臥螺擠漿機的改進設(shè)計，無論是漿料濃度還是生產(chǎn)能力，均比傳統(tǒng)擠漿機有了很大提高，降低了制漿成本[21-22]。

5 結(jié) 論

本課題針對生物酶漿料生產(chǎn)的特點，對單軸臥螺擠漿機進行了優(yōu)化改進設(shè)計。

5.1 添加預(yù)脫水進料真空裝置，可提高擠漿機的制漿濃度和生產(chǎn)效率。

5.2 通過控制體積和背壓裝置來抑制出料段，可以提高擠漿機的制漿濃度和生產(chǎn)效率。

5.3 改進后設(shè)備出漿濃度達49%，比常規(guī)設(shè)計提高30%以上；設(shè)備產(chǎn)能達128 t/d，比傳統(tǒng)制漿設(shè)備設(shè)計產(chǎn)能提高15%以上。