用于净化纤维素悬浮液的水力旋流器、系统和方法

摘要

本发明涉及用于清除纤维素悬浮液中的轻质杂质的水力旋流器，即所谓的反向水力旋流器，其具有底边端和顶点端以及分离室，该分离室具有在底边端和顶点端之间的拉长外形，至少一个入口设置于底边端，至少一个底流出口设置于顶点端，并且至少一个溢流出口设置于底边端。溢流出口设有与水力旋流器的长度轴同心设置的附加、轻质弃料出口。本发明还涉及用于生产和/或加工纤维素悬浮液、包括至少反向净化阶段和至少浓缩阶段的系统和方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于净化纤维素悬浮液(suspensions)的水力旋流器 (hydrocyclone)、系统和方法。

背景技术

水力旋流器在纸浆和造纸工业中用于去除杂质。为了去除重的杂质使用 了一种所谓的正向水力旋流器(forward hydrocyclone)，为了去除低密度或 轻质的杂质如塑料颗粒、蜡、树脂等等，使用了一种反向水力旋流器(reverse  hydrocyclone)。低密度颗粒的定义是与加工液体相比具有较低或相等密度的 颗粒。

通常水力旋流器包括底边端(base end)和顶点端(apex end)以及分离 室，该分离室具有在底边端和顶点端之间的拉长外形。至少一个用于供给将 被净化的纤维素悬浮液的入口设置在底边端，至少一个底流出口设置在顶点 端和至少一个溢流出口设置在底边端。在反向水力旋流器中，基本切向地供 给到分离室中的输入流将被分离成从底流出口离开水力旋流器的接受部分 和从溢流出口离开反向水力旋流器的低密度弃料部分。接受部分通常在系统 中向前输送以进行下游处理或更进一步浓缩(dewatering)或进入纸浆干燥 设备。来自主水力旋流器阶段的弃料部分通常聚集到若干级联耦合的纤维和 水回收阶段。

用于反向净化的本水力旋流器系统方案通常使用三种类型的水力旋流 器设计，见图1a-1c。

在图1a中显示了一种反向水力旋流器，被叫做贯流或平行流反向水力 旋流器。那些水力旋流器具有的益处在于低容量的轻质弃料流(reject flow) LR，一般低于入口供给流的10％，但是它们的缺点在于不能在任何程度上 增稠接受部分。入口供给流被标识为F。

在图1b中显示了标准的反向水力旋流器。其溢流出口中具有约为入口 供给流体积的20％的轻质弃料部分流LR，约为入口供给流中纤维部分的 10％。该反向水力旋流器具有接受部分A的适度增稠和通常需要比图1a的 平行流反向水力旋流器更多的纤维回收阶段。

图1c中显示了增稠或浓缩型反向水力旋流器。这种水力旋流器与图1b 的类型相比具有改善的增稠，也去除轻质杂质。通过除去溢流部分中的轻质 杂质和水，在顶点端的接受部分增稠1.5-3倍。典型的分流比到顶点端是输 入流体积的30-60％，是纤维流重量的约90％。轻质弃料部分是输入流的 70-40％，且根据分流比，含纤维部分的约10％。

为了应对更高的流量，水力旋流器通常并联连接，装在多个水力旋流器 机组中。

当考虑到加工成本时，不仅要考虑初级阶段中加工要求的纤维浓度和压 力，还要考虑纤维回收阶段的泵送需求。在很多情况下反向水力旋流器设置 在下游，跟随在为了去除重的颗粒而设计的正向净化多个水力旋流器机组装 置之后。为了获得最佳效率，尤其为了小的轻质颗粒，在大多数情况下，反 向水力旋流器供液中的纤维浓度需要低于1％。

因此，通常需要在反向净化阶段之后将反向水力旋流器接受部分浓缩回 3-6％的适宜的泵送纤维浓度。当反向水力旋流器安装在加工纤维素悬浮液 的系统中时，真空鼓或盘滤机通常被用于该目的。有时候水力旋流器装置被 定位为直接地连接在纸浆干燥装置或造纸机的入口箱上。在这些情况下，供 给入口箱需要的纤维浓度通常希望在1.6％至2.5％的范围之内。在这种提升 的纤维浓度下，至少一个反向水力旋流器可被用在入口箱的前面以将接受部 分增稠到需要的纤维浓度。WO91/05912描述了这种系统的例子。

图3示出了现有技术中使用图1b的标准反向水力旋流器15的两级标准 系统。水力旋流器15是级联耦合的，所以第二阶段回收来自初级阶段的弃 料。从这种两级系统流向污水管或水净化装置的最终弃料流大约是初级阶段 供给流的4％。流向过滤器的流是初级阶段供给流的80％。因此水力旋流器 15不会减少之后的增稠装置16上的浓缩需求。流到初级阶段的供给流中的 纤维浓度Cf通常是0.5-1.4％，在初级阶段之后的接受部分内的Cf为0.6-1.6 ％。通常初级阶段之后在弃料中的纤维浓度约为0.05-0.14％。

图4示出了一种图1c的增稠型反向水力旋流器17的两级系统。为了对 比，安装了与图3的系统中相同类型的，即图1b的类型的次级阶段水力旋 流器15。或者，次级阶段可以设有图1a的反向水力旋流器。主反向水力旋 流器阶段17将接受部分增稠到纤维浓度为第一阶段供给浓度的1.5-3倍。流 向初级阶段的供给流中的纤维浓度Cf通常为0.5-1.4％，在初级阶段之后的 接受部分中的Cf为1.2-3％。流向之后的浓缩设备16的流减少到初级水力 旋流器17的供给流的30％至60％。然后，次级回收阶段15的尺寸取决于 减少流向浓缩设备16的流的需求。例如，如果需要改变流向脱水器16的流 30-60％，次级反向水力旋流器阶段15的尺寸需要能处理高达70％的初级阶 段的供给流。因此，第二阶段使用其它类型反向水力旋流器是有益的，如图 1a和1b中所示的类型，所以来自初级阶段的最终弃料流从高水平开始降低。 在一个例子中使用了图1b类型的反向水力旋流器15，最终弃料流约为第二 阶段供给流的20％。也就是初级阶段供给流的8-14％。与图3中所示的系 统相比，这是弃料中的大量剩余流，可能需要增加另一回收阶段来减少流动 以获得理想的污水管损失。在最终弃料中的Cf大约为0.05％。其可根据纤 维类型而变化。结果是，这种类型的系统需要高的泵送能量。

发明内容

本发明涉及，例如，改进的水力旋流器设计，其结合了纤维素悬浮液的 增稠/浓缩和以低的弃料流量有效地去除轻质杂质。本发明还涉及一种使用该 水力旋流器设计的系统方案。该系统方案尤其适用的场合为，需要同时去除 轻质杂质、增稠接受部分和稀释上游的场合。另外，本发明涉及清除纤维素 悬浮液中的至少轻质杂质的方法。

在正向净化中，即清除重的杂质中，有已知的核心排放正向清洁器，见 图1d，其在安装的接受部分旋涡导向器(vortex finder)内具有中央核心排 放管。入口供给流的大约体积10％和重量3-5％被当作弃料从中央核心中 除去。通常这种清洁器已知的是在轻质弃料部分上具有中等的效率，并且接 受流不会在任何本质的程度上增稠。

根据早先的说明，本发明的水力旋流器是核心排放型，但是第一次用于 纤维素悬浮液的反向净化。那些解决该问题的水力旋流器设计具有至少一个 入口供给流F和三个流出的分离流部分即底流接受部分A、溢流部分(也称 作中间部分)MF和轻质弃料部分LR，见图2a。我们可以称其为三相反向 水力旋流器。

即，这些部分是：

F：进入水力旋流器的供给流。

A：底流中的范围为供给流的30-60％的优先增稠的接受部分。

LR：从溢流部分的中央核心中脱离出来的范围为供给流的3-15％的轻 质弃料部分。

MF：由25-65％的供给流组成且与溢流中的轻质弃料部分同轴脱离出的 中间部分，主要包含水和一些纤维。

差异之一是包括大部分水和仅仅较少量纤维的中间部分。当检查具有较 小锥角和相对长的锥形的水流旋流器时发现该结果，该水流旋流器结合了具 有底座直径相对大的入口“涡流室”的反向水力旋流器设计。由于该发明， 还具有的优点在于有可能在底流出口获得纤维的高分离可能性，以及同时可 能增大溢流出口管(旋涡导向器)的直径。进入分离本体或分离室的旋涡导 向器的直径可以然后被增大到一定程度以便第二轻质弃料溢流管(旋涡导向 器)可被设置为优选地与水力旋流器的中央长度轴(length axis)同心。

部分A通常在系统内被向前输送以进行下游处理或进一步浓缩或到达 纸浆干燥装置。

部分LR被送到次级反向阶段，内部地或外部地与系统相关的筛子设置 于水净化阶段。水净化可以通过例如溶气浮选(DAF)来完成。

为了生产流水线中的稀释需要，部分MF在基本系统中被再循环。在大 多数情况下，这种需要位于水力旋流器装置的上游。

优点：该创造性的系统具有高的增稠系数和低弃料率，同时具有高效 率。回收阶段不需要被设计成用于完全浓缩的液体，即由于增稠接受部分得 到的液体残留部分，因为大部分已经作为溢出部分MF脱离出，只有小部分 留在弃料流中，所以节约了整体的能量。当系统设计独立于接受部分的增稠 需要时，其还提高了运行主水力旋流器阶段的灵活性。高增稠系数减少了下 游过滤器/浓缩设备上的浓缩表面。

显而易见地，在不偏离权利要求范围内的系统发明思想下，可能在水力 旋流器阶段的上游和下游的各种位置向发明系统添加加工阶段。

附图说明

下面将参照附图通过实施例的举例来更详细地说明本发明，附图中：

图1a显示了现有技术的平行流反向水力旋流器；

图1b显示了现有技术的标准反向水力旋流器；

图1c显示了现有技术的增稠或浓缩水力旋流器；

图1d显示了现有技术的核心排放正向水力旋流器；

图2a显示了新型反向水力旋流器的第一实施例；

图2b显示了新型反向水力旋流器的第二实施例；

图2c显示了新型反向水力旋流器的第三实施例；

图2d显示了第二实施例的细节；

图3显示了现有技术的反向系统；

图4显示了现有技术的反向增稠系统；

图5显示了使用新的反向水力旋流器的新的反向系统；

图6显示了使用新的反向水力旋流器的新的两级反向系统；以及

图7显示了使用至少一个新的反向水力旋流器的新的负压反向系统。

具体实施方式

在图2a中显示了新的反向水力旋流器的第一实施例。水力旋流器包括 分离本体或分离室1，该分离本体或分离室1划分为至少两个区域：入口涡 流室2和底流分离室3。另外，溢流分离室4作为旋涡导向器12的延伸，进 入入口涡流室端部，即底边端8。到达分离本体的供给流F靠近水力旋流器 的底边端8进入至少一个但优选至少两个基本切线定向的入口开口5、6。在 绝大多数场合下，底边端8处的涡流室直径D，建议至少为60mm，优选在 60至180mm之间，且最优选在90至140mm之间。

入口涡流室2和底流分离室3之间的过渡直径Dt可以被定位在涡流室 2和底流分离室3之间锥角突然改变的位置。Dt优选在0.35*D至0.7*D之 间。从底边端到过渡直径的长度Lt优选在0.8*D至3.5*D之间。

涡流室2可包括两个区域，其中第一区域可具有大致的圆柱外形9，第 二区域10在过渡直径Dt之前具有较陡峭的壁面角度。但是，如分别在图2b 和2c的第二和第三实施例中所显示的，优选较平缓的连续弯曲的室。在那 些情况下过渡直径Dt被限定为通过底边端8转角直径D和限定分离本体1 的壁面的曲线的切点的线条所在处，如图2d所示。

底流分离室3沿整个长度可具有一个锥角，但是优选地其具有不同锥角 或略微改变且向底流出口11不断减小锥角的若干部分。总长L被定义为从 底边端(8)的顶部到底流出口11之间的长度。长度L至少为10*D，但优 选14*D至20*D。

接受部分A的底流出口11具有0.2*Ao至1.5*Ao之间的开口面积，其 中Ao是旋涡导向器溢流面积。溢流分离室4具有0.17*D至0.37*D之间的 旋涡导向器直径Do。

在溢流分离室4的另一端，轻质弃料部分LR的第二溢流管13与溢流 分离室4同轴定位。管13具有0.25*Do至0.4*Do之间的直径。溢流分离室 4的出口处可以设有横截面面积增加的扩散器部分14，以及中间部分MF的 出口15。

图5显示了只有一个反向净化阶段的系统的例子，至少一个创造性的三 相反向水力旋流器18与可选的位于下游的纸浆增稠器16、过滤器16或浓缩 设备16串联。三相反向水力旋流器阶段18的上游可安装可选的正向水力旋 流器净化阶段、或筛分、浮选或其它低浓度设备。根据本发明，该例子显示 对于小型纸浆流水线有可能仅仅运作三相反向水力旋流器18的一个阶段。 根据安装位置，进入的供给流可来自10-12％的高密度储存塔或4-5％的混合 箱。进来系统的纤维素悬浮液基本上被稀释到优选的0.8-2％纤维浓度的正 向水力旋流器密度或根据筛子的类型被稀释到1-4％纤维浓度的筛分密度范 围。在筛分纤维素悬浮液之后，其被稀释到反向水力旋流器18效率需要所 限定的密度。供给流中纤维的一般范围为0.5％至1.5％。

根据溢流中中间部分MF的设定分流比，底流中的接受部分A被增稠 到密度为供给密度的1.5至3.3倍。通常，纤维浓度是1.2-3％。离开溢流的 中间部分MF是水力旋流器阶段的供给流的25％至65％。小规模试验证实 该部分的纤维流量将低于供给流的纤维的10％。然后该部分适用于上游稀释 目的。核心排放轻质弃料部分是供给流的3-15％，优选低于供给流体积的 10％，且在绝大多数情况下包含少于供给流中纤维的1％。如果系统具有例 如用于水净化的溶气浮选单元(DAF)，那么有可能将该流输送到DAF而无 需任何次级水力旋流器净化阶段。

图6示出了根据初级阶段中的本发明，使用至少一个反向水力旋流器 18的两级级联耦合系统。次级反向水力旋流器阶段在该例子中示出了与初级 阶段类似类型的三相水力旋流器18。然而，也可能是回收阶段中的任何类型 的轻质弃料反向水力旋流器(例如之前在图1a和1b中描述的类型)。这里 可以看到与图3中显示的水力旋流器增稠系统相比的优点。次级阶段的尺寸 独立于调节增稠浓度的分流比以进一步在增稠器或浓缩设备16中浓缩纸浆。

初级阶段供给流中的纤维浓度是0.5-1.5％，来自初级阶段的接受流中的 纤维浓度是1.2-3％。初级阶段的溢流部分MF的纤维浓度是0.03-0.3％，小 于供给流中纤维的10％。初级阶段的轻质弃料LR的纤维浓度是0.01-0.2％， 小于供给流中纤维的1％。最终污水管损失，在次级步骤之后，范围可以位 于初级阶段供给流的体积的0.1％至2.4％，但是希望总是低于初级阶段供给 流的1％。次级阶段中的纤维损失这里可以忽略不计。

显然，可能进一步地向上文参照图5和6解释的系统的不同地方添加加 工步骤，而不会偏离系统的创造性思想。例如，将会有可能在接受流线的下 游在任何浓缩设备之前设置正向水力旋流器净化阶段。

图7显示了替换图5或6的用于去除轻质杂质的创造性三相反向水力旋 流器的安装例子。该方案的益处在于通过降低运行水力旋流器分离器所需的 压力水平节约泵送能量。

布置的系统应用水力旋流器运行所需的最佳压力配置和典型纸浆生产 流水线中产生的级别差别。可能需要安装阀门来控制分流比，但是可选的布 置将最小化节流初级阶段主泵送流线的需要，初级阶段主泵送流线中消耗最 高的泵送能量。

被增稠的接受部分被送到通常可被安装在滤液槽高度上方4-8米处的过 滤器中。根据之前的描述，中间部分(MF)再循环回去以在初级阶段给水 泵之前或另一个反向水力旋流器系统的上游位置之前来稀释。为了得到容许 量的轻质弃料流，水力旋流器阶段1内的接受压力需求可以是30-60kPa，溢 流部分中的轻质弃料(LR)压力可为90-120kPa，低于所述底流接受压力。 水力旋流器轻质弃料出口处可获得的负压取决于水力旋流器轻质弃料溢流 隔离池相对于滤液槽高度的安装高度。

主供给流的约10％的弃料部分优选连接到空气分离槽，在那里使用真 空泵使压力保持在相对于大气压为约-30kPa至-80kPa或可选地降低到系统 温度下液体沸腾压力。

来自分离池的溢流优选地被送去进一步处理下降到次级回收阶段的给 水泵的吸入口或水净化阶段，例如DAF单元。图7显示了使用与三相反向 水力旋流器分离器相同类型的次级阶段的例子，但是次级阶段可以可选地包 括任何类型的反向水力旋流器。

已经通过实施例的方式来描述本发明，但是本发明不局限于这些，而可 以在以下权利要求的范围内改变。