Nghiên cứu nâng cao hiệu quả nghiền bột giấy khi dùng máy nghiền dạng đĩa trong ngành công nghiệp giấy
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.5 MB, 254 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ
NGHIỀN BỘT GIẤY KHI DÙNG MÁY NGHIỀN DẠNG ĐĨA
TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
/>
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ
NGHIỀN BỘT GIẤY KHI DÙNG MÁY NGHIỀN DẠNG ĐĨA
TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 62.52.01.03
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe
2. GS.TSKH Phạm Văn Lang
THÁI NGUYÊN - 2014
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
/>
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên những
hướng dẫn của tập thể hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã
trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa công bố trên bất cứ một
công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh
Trương Thị Thu Hương
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
ii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của tập thể
hướng dẫn khoa học gồm GS.TSKH. Phạm Văn Lang, PGS.TS. Nguyễn Đăng Hòe đã
tạo mọi điều kiện từ nghiên cứu mô hình, tổ chức thực nghiệm và hướng dẫn chi
tiết trong quá trình hoàn thành luận án. Đồng thời, tác giả bày tỏ lòng biết ơn
đối với nhà khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Dự đã tận tình giúp đỡ, đặc biệt là
trong quá tình điều tra, khảo sát, tìm hiểu thực tế, thu thập và xử lý số liệu thực
nghiệm.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Trường ĐH Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên, Viện Cơ - Điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch,
Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Viện Công nghệ Giấy và Xenlulô Hà Nội
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và người
thân đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành được luận án.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên luận án không tránh khỏi sai sót,
tác giả mong nhận được sự góp ý kiến của các thầy cô giáo, các chuyên gia và các
bạn đồng nghiệp để luận án được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Nghiên cứu sinh
Trương Thị Thu Hương
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT ............................................ vii DANH
MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. ix DANH MỤC
CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................x MỞ ĐẦU
.....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................4
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................4
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................................5
5. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................6
6. Cấu trúc luận án ...................................................................................................7
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ NGHIỀN BỘT GIẤY 9
1.1. Giới thiệu ..........................................................................................................9
1.2. Các thông số đánh giá chất lượng bột giấy ....................................................10
1.2.1. Chiều dài sợi ............................................................................................10
1.2.2. Độ nghiền.................................................................................................10
1.2.3. Độ bền mẫu giấy thành phẩm ..................................................................12
1.3. Khái quát về quá trình nghiền bột giấy ..........................................................13
1.3.1. Khái quát về các giai đoạn nghiền ...........................................................13
1.3.2. Thiết bị nghiền bột giấy ...........................................................................17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
4
1.3.2.1. Các loại thiết bị nghiền .....................................................................17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
5
1.3.2.2. Đánh giá các thiết bị nghiền..............................................................20
1.4. Tương tác cơ học trong nghiền tinh bằng đĩa nghiền .....................................23
1.4.1. Nguyên lý nghiền tinh dùng đĩa nghiền...................................................23
1.4.2. Chuyển động của dung dịch bột – gỗ ......................................................25
1.4.3. Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền ...........................................................27
1.5. Cấu trúc xơ sợi và chất lượng bột giấy...........................................................28
1.5.1. Cấu trúc ngang của sợi gỗ........................................................................29
1.5.2. Cấu trúc dọc của sợi gỗ............................................................................31
1.6. Mức độ tiêu thụ năng lượng trong quá trình nghiền ......................................32
1.7. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và công nghệ đến chất lượng và năng
lượng nghiền
..........................................................................................................33
1.7.1. Tốc độ nghiền ..........................................................................................33
1.7.2. Khe hở đĩa nghiền ....................................................................................33
1.7.3. Lưu lượng bột ..........................................................................................33
1.7.4. Nồng độ bột giấy .....................................................................................33
1.7.5. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu đĩa .................................................34
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH NGHIỀN .....................................38
2.1. Giới thiệu ........................................................................................................38
2.2. Chuyển động của sợi gỗ trong dung dịch khi nghiền .....................................38
2.2.1. Đặc tính dòng chảy của hỗn hợp bột gỗ ..................................................38
2.2.2. Tính đồng nhất của dòng dung dịch ........................................................39
2.3. Đặc tnh cơ học của quá trình nghiền .............................................................42
2.3.1. Tương tác lực trong quá trình nghiền ......................................................42
2.3.2. Tải trọng riêng trên cạnh răng nghiền......................................................44
2.3.3. Tải trọng riêng trên bề mặt răng nghiền ..................................................46
2.4. Các ảnh hưởng về kết cấu và vận hành ..........................................................47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
6
2.5. Cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm ...........................................................58
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
7
2.5.1. Lý thuyết mô hình, đồng dạng và phép phân tch thứ nguyên ................58
2.5.1.1. Lý thuyết mô hình .............................................................................58
2.5.1.2. Lý thuyết đồng dạng .........................................................................59
2.5.1.3. Lý thuyết thứ nguyên ........................................................................63
2.5.2. Ứng dụng của lý thuyết mô hình – đồng dạng – thứ nguyên ..................64
Chương 3. MÔ HÌNH VÀ KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM .....................................68
3.1. Giới thiệu ........................................................................................................69
3.2. Các thông số cơ bản của mô hình thực nghiệm..............................................69
3.2.1. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình nghiền ........................................69
3.2.2. Chọn lọc các thông số thí nghiệm............................................................70
3.3. Thiết lập mô hình thực nghiệm ......................................................................73
3.3.1. Thiết bị nghiền .........................................................................................73
3.3.1.1. Đĩa nghiền .........................................................................................73
3.3.1.2. Máy nghiền thực nghiệm ..................................................................79
3.3.2. Bột nguyên liệu thí nghiệm......................................................................82
3.3.3. Cách thu thập dữ liệu đầu ra
....................................................................84
3.3.3.1. Đo công suất tiêu thụ N.....................................................................84
3.3.3.2. Cách đánh giá chất lượng nghiền ......................................................86
3.4. Cách vận hành hệ thống .................................................................................90
3.5. Xây dựng kế hoạch thực nghiệm ....................................................................91
3.5.1. Bộ thông số thí nghiệm ............................................................................91
3.5.2. Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm .........93
3.6. Nguyên tắc xử lý số liệu .................................................................................96
3.6.1. Xác định dạng mô hình hồi quy...............................................................96
3.6.2. Kiểm nghiệm mức độ phù hợp của mô hình ...........................................97
3.6.3. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu.............................................................100
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
8
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................103
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
9
4.1. Kết quả thực nghiệm ....................................................................................103
4.2. Xây dựng mô hình hồi quy của các hàm mục tiêu .......................................107
4.3. Tối ưu hoá đa mục tiêu .................................................................................110
4.3.1. Tối ưu hóa mục tiêu hàm YN: ................................................................110
4.3.2. Tối ưu hóa mục tiêu hàm YK .................................................................111
4.3.3. Giải bài toán thương lượng giữa hàm chi phí năng lượng riêng YN và
hàm độ nghiền YK ............................................................................................112
4.4. Triển khai kết quả cho dãy máy thực ...........................................................118
4.4.1. Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo công suất nghiền ...........................119
4.4.2. Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo năng suất nghiền ...........................122
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................129
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................131
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................132
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Từ viết
tắt
Ý nghĩa
Đơn vị
as
Chiều rộng răng đĩa cố định
m
ar
Chiều rộng răng đĩa quay
m
bs
Chiều rộng rãnh đĩa cố định
m
br
Chiều rộng rãnh đĩa quay
m
cs
Chiều cao răng đĩa cố định
m
cr
Chiều cao răng đĩa quay
m
C
Nồng độ bột giấy
%
IN
Số lượng các tác động nghiền
m/kg
Ls
Tốc độ nghiền
m/s
L
Chiều dài nghiền
m/v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
8
IL
Chiều dài tiếp xúc của hai răng nghiền đối diện
m
M
Khối lượng sợi bột giấy qua máy nghiền trong 1 giây
kg/s
N
Công suất nghiền
kWh
Nd
Số các răng nghiền giao nhau
-
n(r)
Số lượng dao trên đĩa nghiền
-
r1 (D)
Bán kính ngoài của đĩa nghiền
m
r2 (d)
Bán kính trong của đĩa nghiền
m
SEL
Tải trọng riêng trên lưỡi cắt
J/m
SSL
Tải trọng riêng trên bề mặt dao
J/m
2
Q
Năng suất máy nghiền
t/h
q
Lưu lượng huyền phù
m /s
ω
Vận tốc góc
s
n
Tốc độ quay
v/ph
θ
Góc quạt răng
[]
α
Góc nghiêng răng nghiền
[]
h
Khe hở đĩa nghiền
m
φ
Hệ số điền đầy
-
K
Độ nghiền
∆
Định thức đặc trưng của phương trình thứ nguyên
-
Gi
Ký hiệu thay thế cho các đại lượng a,b,c
-
Qb
Năng suất bột giấy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
3
-1
0
0
0
SR
kg/ph
-
9
BKHP
Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng
-
BKSP
Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ mềm
-
U
Hàm thứ nguyên
-
YN
Hàm biểu diễn năng lượng nghiền
-
YK
Hàm biểu diễn độ nghiền
-
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Kích thước răng nghiền với các loại xơ sợi ..............................................53
Bảng 3.1. Các thông số của quá trình nghiền............................................................69
Bảng 3.2. Các giá trị số mũ trong công thức thứ nguyên của các thông số ..............71
Bảng 3.3. Các thông số đĩa nghiền thí nghiệm .........................................................73
Bảng 3.4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy nghiền thực nghiệm ....................80
Bảng 3.5. Tính chất của bột giấy thực nghiệm .........................................................82
Bảng 3.6. Cơ sở xây dựng phần cơ bản của kế hoạch Box - Behnken .....................94
Bảng 3.7. Kế hoạch Box - Behnken khi n = 4 ..........................................................95
Bảng 4.1. Các thông số vào – ra của các thí nghiệm ..............................................103
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
10
Bảng 4.2. Bảng kết quả thí nghiệm .........................................................................104
Bảng 4.3. Kết quả phân tch số liệu thực nghiệm ...................................................107
Bảng 4.4. Bảng thông số tối ưu trên máy nghiền mô hình .....................................113
Bảng 4.5. Thông số lựa chọn tối ưu cho máy nghiền và đĩa nghiền mô hình ........114
Bảng 4.6. Các thông số ảnh hưởng đến công suất nghiền bột giấy ........................120
Bảng 4.7. Các thông số ảnh hưởng đến năng suất nghiền bột giấy ........................122
Bảng 4.8. Dãy máy nghiền ......................................................................................126
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mối quan hệ giữa độ nghiền và độ bền kéo của bột giấy .....................12
Hình 1.2. Mối quan hệ giữa chiều dài sợi - độ bền kéo - độ bền xé của bột giấy
13
Hình 1.3. Một quy trình sản xuất giấy ..................................................................14
Hình 1.4. Giai đoạn nghiền trong quá trình sản xuất giấy ....................................15
Hình 1.5. Nguyên liệu và sản phẩm của giai đoạn nghiền sơ bộ..........................16
Hình 1.6. Bột nguyên liệu dùng cho quá trình nghiền tinh ..................................16
Hình 1.7. Ảnh chụp cấu trúc phân bố sợi trong giấy thành phẩm ........................17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
11
Hình 1.8. Thiết bị nghiền Hà Lan .........................................................................18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
12
Hình 1.9. Thiết bị nghiền côn trục ngang .............................................................19
Hình 1.10. Thiết bị nghiền đĩa ..............................................................................19
Hình 1.11. So sánh mức tiêu hao điện năng giữa máy nghiền đĩa và nghiền
côn.....21
.......................................................21
Hình 1.13. Sự tiếp xúc giữa các răng nghiền trong máy nghiền côn....................23
Hình 1.14. Sợi bột giấy giữa các răng nghiền ......................................................24
Hình 1.15. Các giai đoạn nghiền ..........................................................................24
Hình 1.16. Dòng xoáy cho dung dịch bột - nước trong rãnh nghiền ....................25
Hình 1.17. Sự tạo thành các búi sợi và các tác động nghiền ................................26
Hình 1.18. Lực tác động lên sợi bột giấy trong quá trình nghiền .........................28
Hình 1.19. Giản đồ về sự phân lớp ngoài của sợi do mỏi. ...................................28
Hình 1.20. Cấu trúc của một sợi gỗ ......................................................................29
Hình 1.21. Sự thay đổi hình thái và cấu trúc sợi nhờ quá trình nghiền ................30
Hình 1.22. Xơ sợi bột giấy trước và sau khi nghiền .............................................31
Hình 1.23. Đặc tnh chiều dài sợi của các loại cây nguyên liệu ...........................32
Hình 1.24. Các yếu tố cơ bản của đĩa nghiền bột .................................................34
Hình 1.25. Một số dạng hư hỏng răng đĩa nghiền thường gặp .............................36
Hình 2.1. Chiều dài tác động nghiền ....................................................................46
Hình 2.2. Các dạng profin của dao nghiền ...........................................................48
Hình 2.3. Các kiểu bố trí răng nghiền...................................................................49
Hình 2.4. Các dạng đĩa nghiền..............................................................................50
Hình 2.5. Một số kiểu đĩa nghiền .........................................................................51
Hình 2.6. Chiều dài nghiền của các mẫu đĩa khác nhau .......................................52
Hình 2.7. Tiếp xúc giữa hai dao nghiền................................................................55
Hình 2.8. Sự dịch chuyển của răng đĩa nghiền quay trên răng đĩa nghiền cố định
trong quá trình nghiền
...............................................................................................57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
13
Hình 3.1. Cụm đĩa cố định ....................................................................................74
Hình 3.2. Cụm đĩa quay ........................................................................................75
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
xii
Hình 3.3. Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 1 ................................................................75
Hình 3.4. Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 2 ................................................................76
Hình 3.5. Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 3 ................................................................77
Hình 3.6. Đĩa nghiền bột giấy dùng trong thực nghiệm .......................................79
Hình 3.7. Bản vẽ tổng thể máy nghiền bột giấy thực nghiệm ..............................81
Hình 3.8. Máy nghiền bột giấy dạng đĩa dùng trong thực nghiệm .......................82
Hình 3.9. Máy đánh tơi tiêu chuẩn .......................................................................84
Hình 3.10. Công tơ điện 3 pha có tích hợp bộ truyền dẫn thông tin vào máy tnh
86
Hình 3.11. Sơ đồ thí nghiệm đo tiêu thụ năng lượng nghiền................................86
Hình 3.12. Máy đo độ nghiền ...............................................................................87
Hình 3.13. Máy nghiền PFI ..................................................................................87
Hình 3.14. Máy xeo Rapid - Kothen.....................................................................88
Hình 3.15. Thiết bị đo độ bền kéo (Hounfield) ....................................................88
Hình 3.16. Thiết bị đo độ bền xé của giấy (Frank)...............................................89
Hình 3.17. Các yếu tố ảnh hưởng và các chỉ tiêu cần đạt trong thực nghiệm ......92
Hình 4.1. Đồ thị tối ưu YN ..................................................................................111
Hình 4.2. Đồ thị tối ưu YK .................................................................................112
Hình 4.3. Đồ thị tối ưu hóa đa mục tiêu .............................................................113
Hình 4.4. Độ nghiền và chiều dài xơ sợi ............................................................116
Hình 4.5. Độ nghiền và tnh chất cơ lý bột giấy ..............................................117
Hình 4.6. Bột giấy trước (a) và sau khi nghiền (b) ............................................118
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong xã hội hiện đại, mặc dù các phương tiện tin học trong thông tin, lưu trữ
phát triển mạnh nhưng giấy vẫn là sản phẩm không thể thiếu trong hoạt động xã
hội của bất kỳ quốc gia nào, đặc biệt trong hoạt động giáo dục, in ấn, báo chí, văn
học, hội hoạ. Ở Việt Nam, ngành công nghiệp giấy là một ngành chiến lược quan
trọng phục vụ trực tiếp sự nghiệp văn hoá, xã hội và phát triển đất nước. Theo
số liệu thống kê cho thấy, năm 2013, Việt Nam tiêu thụ 655.000 tấn giấy in, giấy
viết [1]. Tuy nhiên, ngành công nghiệp giấy mới chỉ đáp ứng khoảng 50% nhu
cầu tiêu dùng. Một trong những khó khăn lớn nhất của việc sản xuất giấy in,
giấy viết là đảm bảo chất lượng bột giấy dùng cho sản xuất giấy.
Trong thuật ngữ của ngành sản xuất giấy, có hai loại bột nguyên liệu: bột thô
và bột giấy. Bột thô là dạng bột được tạo thành bởi giai đoạn nghiền sơ bộ,
thuật ngữ ngành giấy gọi là nghiền nồng độ cao, có nhiệm vụ nghiền phôi gỗ dạng
dăm, mảnh thành dạng bột thô. Bột giấy là dạng bột được tạo thành bởi giai đoạn
nghiền tinh, thuật ngữ ngành giấy gọi là nghiền nồng độ thấp.
Trong giai đoạn nghiền sơ bộ (nghiền nồng độ cao - high consistency),
nguyên liệu đầu vào là dăm, mảnh gỗ có kích thước 25x25x2mm. Dăm, mảnh gỗ
được chế biến tại các nhà máy, phân xưởng chuyên dụng, độc lập với nhà máy,
phân xưởng sản xuất giấy. Sản phẩm của quá trình nghiền sơ bộ là bột thô, bao
gồm các sợi gỗ có kích thước chiều dài từ 1-3mm, đường kính khoảng 10-30μm. Bột
thô tiếp tục được xử lý để thu hồi dịch đen, tẩy trắng và trở thành nguyên liệu cho
giai đoạn nghiền tinh tiếp theo.
Giai đoạn nghiền tnh (nghiền nồng độ thấp - low consistency) có nhiệm vụ
nghiền bột thô đã được tẩy trắng, nhằm thay đổi hình thái của sợi gỗ, làm cho bột
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
2
có các tnh chất cơ, lý đáp ứng yêu cầu của sản phẩm giấy. Giai đoạn này có các
nhiệm vụ chính là tách bề mặt phía trong của sợi thành nhiều sợi nhỏ (chổi hoá
nội vi),
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
3
chải các lớp ngoài của sợi thành các sợi nhỏ hơn (chổi hoá ngoại vi), tạo thêm nhiều
sợi mịn và ngắn hơn. Thêm nữa, vách ngăn giữa các sợi được làm yếu đi, mềm ra
và giảm độ dày nhờ sự thâm nhập của các phân tử nước trong quá trình nghiền.
Kết quả là làm tăng khả năng liên kết sợi và độ bền của giấy thành phẩm. Vì vậy,
đây là giai đoạn chế biến có ý nghĩa quyết định đến chất lượng sản phẩm giấy
được tạo thành. Chính vì vậy, các chuyên gia ngành giấy thường nói: “Giấy được
hình thành từ trong máy nghiền”.
Giai đoạn nghiền tinh có thể được thực hiện trên thiết bị nghiền Hà Lan, thiết
bị nghiền côn hoặc nghiền đĩa [17], [9], [16], [46]. Công nghệ sản xuất giấy hiện đại
ngày nay chủ yếu sử dụng thiết bị nghiền dạng đĩa [5], [46], [49]. Thiết bị nghiền
dạng đĩa có khả năng nghiền ở nhiều nồng độ, nghiền nhiều loại nguyên liệu khác
nhau, năng suất nghiền cao, chất lượng bột đồng đều và tiêu hao năng lượng
thấp hơn các thiết bị nghiền Hà Lan, nghiền côn có cùng công suất. Ở Việt Nam,
thiết bị nghiền dạng đĩa có mặt tại tất cả các nhà máy sản xuất giấy.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chất lượng bột giấy (sản phẩm của giai đoạn
nghiền tinh) phụ thuộc vào các yếu tố chính như điều kiện nghiền, hệ thống nghiền,
đĩa nghiền [40], [42], [46], [54] và dạng nguyên liệu xơ sợi [3], [16], [19]. Trong
đó, các yếu tố kết cấu đĩa, hình dáng hình học của răng đĩa có ảnh hưởng trực tiếp
đến chất lượng bột giấy cũng như năng lượng tiêu hao trong quá trình nghiền [21],
[22], [35]. Bài toán tối ưu đa mục tiêu giải quyết hài hoà cả hai lợi ích: Chất lượng
bột giấy và năng lượng nghiền đã và đang nhận được nhiều quan tâm [11], [13],
[18], [31], [47], [48], [49]. Trong hầu hết các nghiên cứu, các tác giả thường hoặc
khảo sát các dạng sợi gỗ nguyên liệu có những đặc tnh cơ lý trung bình, hoặc khảo
sát trên một dạng sợi gỗ cụ thể. Thực tế, gỗ từ các vùng miền có khí hậu, điều kiện
thổ nhưỡng khác nhau sẽ có những tính chất cơ, lý khác nhau. Lựa chọn kết cấu đĩa
nghiền, thông số hình học răng đĩa phù hợp với đặc thù sợi gỗ của từng vùng miền
sẽ có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng quá trình nghiền cụ thể [8], [13], [17].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
4
Bên cạnh chất lượng nghiền, năng lượng tiêu tốn cho quá trình nghiền là một
trong hai yếu tố chính quyết định tính cạnh tranh của sản phẩm giấy. Điều này có ý
nghĩa sống còn đến việc ngành công nghiệp giấy của một quốc gia có thể phát triển
hay phải nhập khẩu thay vì sản xuất phục vụ tiêu dùng và xuất khẩu. Các nghiên
cứu đã chỉ ra rằng, cấu tạo đĩa nghiền và các thông số vận hành có ảnh hưởng trực
tiếp không những đến chất lượng nghiền mà còn đến năng lượng tiêu tốn cho
quá trình nghiền [40], [42], [46], [54]. Nói cách khác, cấu tạo đĩa và thông số vận
hành có ảnh hưởng quyết định đến khả năng cạnh tranh của sản phẩm giấy.
Nói chung, mục tiêu nâng cao chất lượng nghiền và giảm năng lượng tiêu thụ
thường có mâu thuẫn lợi ích với nhau. Nhiều nghiên cứu đã và vẫn đang được tiếp
tục tiến hành để giải quyết bài toán đa mục tiêu này [25], [36], [37], [48].
Trong các cơ sở sản xuất giấy của Việt Nam, nguyên liệu dùng cho quá trình
nghiền tinh thường được trộn giữa bột sợi ngắn (bột gỗ được sản xuất trong
nước) và bột sợi dài (bột nguyên liệu nhập ngoại). Không những khác nhau về kích
thước, hai dạng bột này còn khác nhau cả về các đặc tnh cơ, lý. Đĩa nghiền đang
dùng trong các cơ sở sản xuất giấy hầu như được nhập ngoại hoàn toàn. Các đĩa
nghiền này được sản xuất hàng loạt, với các thông số kết cấu được tnh toán dựa
trên những tham số có thể dùng chung cho nhiều dạng bột khác nhau trên thế
giới. Việc sử dụng đĩa nghiền như vậy cho dạng bột có cả hai thành phần sợi khác
nhau như trên có thể làm giảm chất lượng bột giấy, đồng thời làm tăng thời gian và
chi phí năng lượng, giá thành sản xuất giấy. Cho đến nay, chưa có một nghiên cứu
nào thực hiện việc xác định các thông số kết cấu, thông số hình học của răng cho
các đĩa nghiền phù hợp với bột giấy được làm từ cây nguyên liệu của Việt Nam.
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm đóng góp, bổ sung lời giải cho bài toán
tối ưu đa mục tiêu, cân bằng lợi ích giữa nâng cao chất lượng bột giấy và giảm tiêu
thụ năng lượng cho giai đoạn nghiền tinh trong công nghiệp sản xuất giấy. Nghiên
cứu được thực hiện trên bột nguyên liệu thực tế đang được dùng trong công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
5
nghiệp sản xuất giấy tại Việt Nam; sử dụng các máy móc, thiết bị thực nghiệm
của Việt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
6
Nam. Kết quả của nghiên cứu, do vậy, có thể được ứng dụng trực tiếp vào sản xuất
giấy ở Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu cơ sở khoa học, xác định các yếu tố ảnh hưởng của máy nghiền
bột giấy dạng đĩa đến chất lượng bột giấy và tiêu thụ năng lượng riêng.
Các mục tiêu cụ thể là:
- Khảo sát các loại nguyên liệu nghiền, so sánh và đánh giá chất lượng theo
tiêu chuẩn.
- Lựa chọn các thông số cơ bản của kết cấu đĩa nghiền, thông số vận hành máy
có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và năng lượng nghiền.
- Xây dựng bộ thông số chế tạo mô hình thực nghiệm, mô tả được điều kiện
làm việc của các máy nghiền thực tế.
- Xác định quan hệ giữa góc nghiêng răng nghiền, khe hở đĩa nghiền, tốc độ
nghiền, lưu lượng bột giấy và chất lượng bột giấy (chiều dài sợi, độ nghiền, độ bền),
năng lượng nghiền (số kWh/ tấn sản phẩm).
- Xác định bộ thông số tối ưu để chiều dài sợi đạt 0.5 - 1.0 mm, độ nghiền đạt
0
35 - 38 SR và năng lượng nghiền riêng đạt dưới 50 kWh/t.
- Triển khai ứng dụng thực tế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là quá trình nghiền tinh bột giấy sử
dụng máy nghiền đĩa ở Việt Nam. Bột nguyên liệu đầu vào của quá trình nghiền
tinh là bột trộn hỗn hợp giữa bột sản phẩm nội địa và bột nhập ngoại, hiện đang
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
tnu.edu.vn/
-
