Nghiên cứu nâng cao hiệu quả nghiền bột giấy khi dùng máy nghiền dạng đĩa trong ngành công nghiệp giấy

Giai đoạn nghiền tinh 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 có các tính chất cơ, lý đáp ứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRONG NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẤY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NguyÔn Qu©n nhu

Ư

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

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

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

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 3

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 9

1.2.1 Chiều dài sợi 10

1.2.2 Độ nghiền 10

1.2.3 Độ bền mẫu giấy thành phẩm 11

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 16

1.3.2.1 Các loại thiết bị nghiền 16

1.3.2.2 Đánh giá các thiết bị nghiền 19

1.4 Tương tác cơ học trong nghiền tinh bằng đĩa nghiền 22

1.4.1 Nguyên lý nghiền tinh dùng đĩa nghiền 22

1.4.2 Chuyển động của dung dịch bột – gỗ 23

1.4.3 Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền 25

1.5 Cấu trúc xơ sợi và chất lượng bột giấy 27

1.5.1 Cấu trúc ngang của sợi gỗ 27

1.5.2 Cấu trúc dọc của sợi gỗ 29

1.6 Mức độ tiêu thụ năng lượng trong quá trình nghiền 30

1.7 Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và công nghệ đến chất lượng và năng lượng nghiền 31

1.7.1 Tốc độ nghiền 31

1.7.2 Khe hở đĩa nghiền 31

1.7.3 Lưu lượng bột 31

1.7.4 Nồng độ bột giấy 31

1.7.5 Ảnh hưởng của các thông số kết cấu đĩa 32

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH NGHIỀN 36

2.1 Giới thiệu 36

2.2 Chuyển động của sợi gỗ trong dung dịch khi nghiền 36

2.2.1 Đặc tính dòng chảy của hỗn hợp bột gỗ 37

2.2.2 Tính đồng nhất của dòng dung dịch 37

2.3 Đặc tính cơ học của quá trình nghiền 40

2.3.1 Tương tác lực trong quá trình nghiền 40

2.3.2 Tải trọng riêng trên cạnh răng nghiền 42

2.3.3 Tải trọng riêng trên bề mặt răng nghiền 43

2.4 Các ảnh hưởng về kết cấu và vận hành 45

2.5 Cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm 55

2.5.1 Lý thuyết mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên 55

2.5.1.1 Lý thuyết mô hình 55

2.5.1.2 Lý thuyết đồng dạng 56

2.5.1.3 Lý thuyết thứ nguyên 59

2.5.2 Ứng dụng của lý thuyết mô hình – đồng dạng – thứ nguyên 61

Chương 3 MÔ HÌNH VÀ KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM 65

3.1 Giới thiệu 65

3.2 Các thông số cơ bản của mô hình thực nghiệm 65

3.2.1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình nghiền 65

3.2.2 Chọn lọc các thông số thí nghiệm 66

3.3 Thiết lập mô hình thực nghiệm 69

3.3.1 Thiết bị nghiền 69

3.3.1.1 Đĩa nghiền 69

3.3.1.2 Máy nghiền thực nghiệm 75

3.3.2 Bột nguyên liệu thí nghiệm 78

3.3.3 Cách thu thập dữ liệu đầu ra 79

3.3.3.1 Đo công suất tiêu thụ N 79

3.3.3.2 Cách đánh giá chất lượng nghiền 81

3.4 Cách vận hành hệ thống 85

3.5 Xây dựng kế hoạch thực nghiệm 86

3.5.1 Bộ thông số thí nghiệm 86

3.5.2 Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm 88

3.6 Nguyên tắc xử lý số liệu 90

3.6.1 Xác định dạng mô hình hồi quy 90

3.6.2 Kiểm nghiệm mức độ phù hợp của mô hình 91

3.6.3 Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu 94

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 97

4.1 Kết quả thực nghiệm 97

4.2 Xây dựng mô hình hồi quy của các hàm mục tiêu 100

4.3 Tối ưu hoá đa mục tiêu 103

4.3.1 Tối ưu hóa mục tiêu hàm YN: 103

4.3.2 Tối ưu hóa mục tiêu hàm YK 104

4.3.3 Giải bài toán thương lượng giữa hàm chi phí năng lượng riêng YN và hàm độ nghiền YK 105

4.4 Triển khai kết quả cho dãy máy thực 111

4.4.1 Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo công suất nghiền 111

4.4.2 Xác định bộ chỉ số đồng dạng theo năng suất nghiền 114

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

IL Chiều dài tiếp xúc của hai răng nghiền đối diện km

q Lưu lượng huyền phù m3/s

∆ Định thức đặc trưng của phương trình thứ nguyên -

Gi Ký hiệu thay thế cho các đại lượng a,b,c - BKHP Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng - BKSP Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ mềm -

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Kích thước răng nghiền với các loại xơ sợi 50

Bảng 3.1 Các thông số của quá trình nghiền 65

Bảng 3.2 Các giá trị số mũ trong công thức thứ nguyên của các thông số 67

Bảng 3.3 Các thông số đĩa nghiền thí nghiệm 70

Bảng 3.4 Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy nghiền thực nghiệm 76

Bảng 3.5 Tính chất của bột giấy thực nghiệm 78

Bảng 3.6 Cơ sở xây dựng phần cơ bản của kế hoạch Box - Behnken 88

Bảng 3.7 Kế hoạch Box - Behnken khi n = 4 89

Bảng 4.1 Các thông số vào – ra của các thí nghiệm 97

Bảng 4.2 Bảng kết quả thí nghiệm 98

Bảng 4.3 Kết quả phân tích số liệu thực nghiệm 101

Bảng 4.4 Bảng thông số tối ưu trên máy nghiền mô hình 106

Bảng 4.5 Thông số lựa chọn tối ưu cho máy nghiền và đĩa nghiền mô hình 107

Bảng 4.6 Các thông số ảnh hưởng đến công suất nghiền bột giấy 112

Bảng 4.7 Các thông số ảnh hưởng đến năng suất nghiền bột giấy 114

Bảng 4.8 Dãy máy nghiền 118

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 12 Hình 1.3 Một quy trình sản xuất giấy 13

Hình 1.4 Giai đoạn nghiền trong quá trình sản xuất giấy 14

Hình 1.5 Nguyên liệu và sản phẩm của giai đoạn nghiền sơ bộ 15

Hình 1.6 Bột nguyên liệu dùng cho quá trình nghiền tinh 15

Hình 1.7 Ảnh chụp cấu trúc phân bố sợi trong giấy thành phẩm 16

Hình 1.8 Thiết bị nghiền Hà Lan 17

Hình 1.9 Thiết bị nghiền côn trục ngang 17

Hình 1.10 Thiết bị nghiền đĩa 18

Hình 1.11 So sánh mức tiêu hao điện năng giữa máy nghiền đĩa và nghiền côn 19

Hình 1.12 Sơ đồ chuyển động của bột giấy 20

Hình 1.13 Sự tiếp xúc giữa các răng nghiền trong máy nghiền côn 21

Hình 1.14 Sợi bột giấy giữa các răng nghiền 22

Hình 1.15 Các giai đoạn nghiền 23

Hình 1.16 Dòng xoáy cho dung dịch bột - nước trong rãnh nghiền 24

Hình 1.17 Sự tạo thành các búi sợi và các tác động nghiền 24

Hình 1.18 Lực tác động lên sợi bột giấy trong quá trình nghiền 26

Hình 1.19 Giản đồ về sự phân lớp ngoài của sợi do mỏi 26

Hình 1.20 Cấu trúc của một sợi gỗ 27

Hình 1.21 Sự thay đổi hình thái và cấu trúc sợi nhờ quá trình nghiền 28

Hình 1.22 Xơ sợi bột giấy trước và sau khi nghiền 29

Hình 1.23 Đặc tính chiều dài sợi của các loại cây nguyên liệu 30

Hình 1.24 Các yếu tố cơ bản của đĩa nghiền bột 32

Hình 1.25 Một số dạng hư hỏng răng đĩa nghiền thường gặp 33

Hình 2.1 Chiều dài tác động nghiền 44

Hình 2.2 Các dạng profin của dao nghiền 45

Hình 2.3 Các kiểu bố trí răng nghiền 46

Hình 2.4 Các dạng đĩa nghiền 47

Hình 2.5 Một số kiểu đĩa nghiền 48

Hình 2.6 Chiều dài nghiền của các mẫu đĩa khác nhau 49

Hình 2.7 Tiếp xúc giữa hai dao nghiền 52

Hình 2.8 Sự dịch chuyển của răng đĩa nghiền quay trên răng đĩa nghiền cố định trong quá trình nghiền 53

Hình 3.1 Cụm đĩa cố định 70

Hình 3.2 Cụm đĩa quay 71

Hình 3.3 Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 1 71

Hình 3.4 Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 2 72

Hình 3.5 Mẫu đĩa nghiền thí nghiệm 3 72

Hình 3.6 Đĩa nghiền bột giấy dùng trong thực nghiệm 75

Hình 3.7 Bản vẽ tổng thể máy nghiền bột giấy thực nghiệm 77

Hình 3.8 Máy nghiền bột giấy dạng đĩa dùng trong thực nghiệm 77

Hình 3.9 Máy đánh tơi tiêu chuẩn 79

Hình 3.10 Công tơ điện 3 pha có tích hợp bộ truyền dẫn thông tin vào máy tính 80 Hình 3.11 Sơ đồ thí nghiệm đo tiêu thụ năng lượng nghiền 81

Hình 3.12 Máy đo độ nghiền 81

Hình 3.13 Máy nghiền PFI 82

Hình 3.14 Máy xeo Rapid - Kothen 82

Hình 3.15 Thiết bị đo độ bền kéo (Hounfield) 83

Hình 3.16 Thiết bị đo độ bền xé của giấy (Frank) 83

Hình 3.17 Các yếu tố ảnh hưởng và các chỉ tiêu cần đạt trong thực nghiệm 86

Hình 4.1 Đồ thị tối ưu YN 104

Hình 4.2 Đồ thị tối ưu YK 105

Hình 4.3 Đồ thị tối ưu hóa đa mục tiêu 106

Hình 4.4 Độ nghiền và chiều dài xơ sợi 108

Hình 4.5 Độ nghiền và tính chất cơ lý bột giấy 109

Hình 4.6 Bột giấy trước (a) và sau khi nghiền (b) 111

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 tinh (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 có các tính 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), 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 tính 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]

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 tính 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 tính 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 nghiệp sản xuất giấy tại Việt Nam; sử dụng các máy móc, thiết bị thực nghiệm của Việt 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

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 được sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất giấy tại Việt Nam Các thông số vận hành cũng như thông số kết cấu của đĩa dùng cho quá trình nghiền là các đối tượng nghiên cứu cụ thể của đề tài Chất lượng bột giấy (đo theo tiêu chuẩn hiện hành) và công suất tiêu thụ điện năng là các thông số chính được sử dụng để đánh giá kết quả của đề tài

Các thông số đánh giá mục tiêu

Mục tiêu nghiên cứu chính là nâng cao chất lượng bột giấy được nghiền và giảm tiêu thụ năng lượng riêng khi nghiền

Chất lượng bột giấy có thể được đánh giá qua một loạt thông số Trong thực tế sản xuất cũng như trong các nghiên cứu khoa học về bột giấy và nghiền bột giấy, người ta thường đánh giá chất lượng bột giấy thông qua độ nghiền (0SR), độ bền

kéo, và độ bền xé Thiết bị cũng như nguyên tắc đánh giá chất lượng thông qua thông số này sẽ được trình bày trong chương 4

Năng lượng tiêu thụ khi nghiền được đánh giá tổng hợp, bao gồm năng lượng tiêu tốn trực tiếp trong quá trình nghiền và các thành phần tiêu tốn khác, chẳng hạn: năng lượng cơ tiêu tốn để thắng ma sát trong các hệ thống truyền động, động cơ Năng lượng tiêu thụ có thể đo một cách đơn giản bằng công tơ điện hoặc đo mô men trục nghiền Chương 4 sẽ phân tích chi tiết hơn về thông số này

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Trong điều kiện thực hiện đề tài, phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau:

- Đề tài chỉ khảo sát quá trình nghiền tinh bột giấy, sử dụng bột hỗn hợp đang được dùng trong sản xuất giấy thực tế tại Việt Nam

- Thiết bị thực nghiệm quá trình nghiền là mô hình được xây dựng dựa trên thiết bị nghiền công nghiệp và thiết bị nghiền thí nghiệm thông dụng

- Một số thông số kết cấu đĩa nghiền, thông số công nghệ vận hành máy nghiền có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bột giấy và năng lượng tiêu hao, được xác định trong quá trình nghiên cứu

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

4.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu có những ý nghĩa khoa học là:

- Ứng dụng thành công lý thuyết mô hình, đồng dạng để xây dựng mô hình thực nghiệm mô tả xác thực thiết bị làm việc thực tế, giảm chi phí thí nghiệm

- Giải quyết được bài toán tối ưu đa mục tiêu nhờ sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trên máy mô hình; kết quả được kiểm chứng thực tế

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có những ý nghĩa thực tiễn là:

- Bộ thông số kết cấu đĩa nghiền và vận hành máy tìm được bằng thực nghiệm

có thể triển khai, ứng dụng vào quá trình nghiền bột giấy

- Bài toán nâng cao chất lượng bột giấy và tiết kiệm năng lượng trong sản xuất giấy ở Việt Nam đã được giải quyết tương đối trọn vẹn

- Kết quả của nghiên cứu có thể được nhân rộng nhanh chóng và dễ dàng nhờ

sử dụng phép biến đổi mô hình đồng dạng, phép phân tích thứ nguyên Điều này có

ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật rất lớn

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra, lấy ý kiến chuyên gia:

Phương pháp này được sử dụng nhằm thu thập các thông tin về quá trình nghiền bột giấy trong các cơ sở sản xuất giấy tại Việt Nam gồm nguyên liệu, điều kiện nghiền, thiết bị nghiền, yêu cầu của sản phẩm bột giấy sau giai đoạn nghiền; đồng thời những thông tin này là cơ sở để đánh giá vai trò và xác định yếu tố nghiên cứu cơ bản được thực hiện trong luận án;

- Phương pháp mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên:

Sử dụng phương pháp này trong việc thiết kế, chế tạo máy nghiền bột giấy dạng đĩa nhỏ gọn để thực hiện các nghiên cứu cần thiết mà không cần dừng máy, dừng dây truyền sản xuất giấy Do máy nghiền bột giấy dạng đĩa là một máy nghiền liên tục được sử dụng trong các dây truyền sản xuất, cho nên việc dừng máy, ngừng sản xuất để tiến hành nghiên cứu trên máy thật là việc rất khó khăn, thậm chí không thực hiện được Phương pháp mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên cho phép tái tạo thiết bị nghiền thực với kích thước nhỏ gọn hơn nhiều lần mà vẫn đảm bảo phản ánh trung thực điều kiện làm việc thực tế

Sau khi xác định được các thông số tối ưu về kết cấu và công nghệ trên mô hình thực nghiệm, sử dụng phương pháp mô hình, đồng dạng, phân tích thứ nguyên cho phép chỉ ra các thông số thiết kế, chế tạo và vận hành cho các loại máy nghiền

thực (các dãy máy thực), với công suất tuỳ ý theo yêu cầu

- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: được sử dụng nhằm thu thập và xử

lý số liệu để xác định được bộ thông số nghiền phù hợp trên mô hình thực nghiệm cho quá trình nghiền dùng đĩa nghiền Trên cơ sở đó, áp dụng phương pháp mô hình, đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên để xác định được dãy máy nghiền với các quy mô sản xuất khác nhau

6 Cấu trúc luận án

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã xác định ở trên, các nhiệm vụ nghiên

cứu đã được triển khai và được thuyết minh cụ thể trong bốn chương, gồm:

Chương 1: Tổng quan về quá trình và thiết bị nghiền bột giấy

Chương này trình bày các thông số cơ bản để đánh giá chất lượng bột giấy; giới thiệu và đánh giá các thiết bị nghiền theo tiêu chí chất lượng bột giấy Đặc biệt, các nghiên cứu liên quan đến nguyên lý nghiền tinh, ảnh hưởng của các thông số kết cấu đĩa nghiền và các thông số vận hành quá trình nghiền đến chất lượng bột giấy là những nội dung trọng tâm của chương

Chương 2 Cơ sở lý thuyết quá trình nghiền

Chương này sẽ trình bày những nội dung chi tiết về các cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền gồm tính chất chuyển động của sợi gỗ trong dung dịch khi nghiền,

sự tương tác lực trong quá trình nghiền cũng như các ảnh hưởng về kết cấu và vận hành đến chất lượng bột giấy và năng lượng tiêu hao trong quá trình nghiền Bên canh đó, các cơ sở xây dựng mô hình thực nghiệm cũng được đề cập cụ thể

Chương 3 Mô hình và kế hoạch thực nghiệm

Chương này sẽ cụ thể hoá tiến trình xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm; xác định các đại lượng “vào” - “ra” cũng như cách thức, thiết bị đo các đại lượng này Kế hoạch triển khai thí nghiệm, xây dựng trên cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, cũng được trình bày chi tiết

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Trên cơ sở bộ dữ liệu chứa đầy đủ các thông tin về ảnh hưởng của thông số kết cấu và công nghệ nghiền đến chất lượng và năng lượng nghiền bột giấy, chương 4

sẽ trình bày cách thức xử lý dữ liệu và xác lập mô hình mô tả quan hệ vào - ra, đồng thời tiến hành giải bài toán tối ưu hoá đa mục tiêu: nâng cao chất lượng bột nghiền

và hạn chế năng lượng nghiền

Phần cuối cùng của luận án trình bày những kết luận cơ bản, những đề xuất về hướng nghiên cứu tiếp theo và những tài liệu tham khảo chính được sử dụng khi thực hiện đề tài

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

NGHIỀN BỘT GIẤY 1.1 Giới thiệu

Bột giấy là sản phẩm của quá trình nghiền, đồng thời là nguyên liệu chính yếu

để sản xuất giấy Chất lượng bột giấy là một thông số cơ bản để đánh giá chất lượng

và hiệu quả của quá trình nghiền Đồng thời, chất lượng bột giấy đóng vai trò quyết định đến chất lượng của giấy thành phẩm Cách thức và thiết bị nghiền có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bột giấy

Chương này trình bày các thông số cơ bản để đánh giá chất lượng bột giấy; giới thiệu và đánh giá các thiết bị nghiền theo tiêu chí chất lượng bột giấy Đặc biệt, các nghiên cứu liên quan đến nguyên lý nghiền tinh, ảnh hưởng của các thông số kết cấu đĩa nghiền và các thông số vận hành quá trình nghiền đến chất lượng bột giấy là những nội dung trọng tâm của chương

Các nội dung nói trên sẽ được lần lượt trình bày chi tiết trong các phần riêng của chương Trước hết, các thông số cơ bản để đánh giá chất lượng bột giấy được trình bày trong phần 1.2 Tiếp đó, phần 1.3 sẽ giới thiệu khái quát về các quá trình nghiền để sản xuất bột giấy tinh, dùng trực tiếp cho quá trình tạo thành giấy viết

Ưu nhược điểm, các lưu ý về thiết kế, chế tạo, vận hành các thiết bị tương ứng của từng quá trình nghiền cũng được trình bày chi tiết

Thông tin tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến các thông số kết cấu đĩa nghiền được trình bày trong phần 1.4 Tiếp đó, các đề xuất nghiên cứu, phát triển, giả thuyết khoa học sẽ được trình bày trong phần 1.5 Phần cuối cùng của chương, phần 1.5, là phần tóm tắt nội dung của chương

1.2 Các thông số đánh giá chất lượng bột giấy

Bột giấy là sản phẩm cuối cùng của quá trình nghiền, đồng thời là nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất giấy Chất lượng bột giấy không những là yếu tố quan

trọng dùng trong công nghiệp sản xuất giấy, mà còn là thông số chủ yếu dùng trong các nghiên cứu về quá trình nghiền bột giấy [3], [16], [17], [19], [46], [49], [52] Chất lượng bột giấy thường được đánh giá thông qua ba thông số chính: Chiều dài sợi, độ nghiền (độ thoát nước) và độ bền mẫu giấy thành phẩm Các thông số này sẽ được phân tích chi tiết như dưới đây

1.2.1 Chiều dài sợi

Cùng với đặc tính thoát nước và khả năng chổi hoá xơ sợi, chiều dài sợi gỗ là một thông số quan trọng để đánh giá chất lượng bột giấy Bột giấy được gọi là có chất lượng tốt khi chiều dài sợi lớn Đây là tính chất quan trọng để tăng độ bền cần thiết của giấy thành phẩm, để giảm hiện tượng giấy bị đứt, rách trên trục máy in [3]

Để sản xuất giấy chất lượng cao (high quality paper) nhà sản xuất thường yêu cầu chiều dài của sợi bột giấy nằm trong khoảng 0.5-1mm Ở Việt Nam, chiều dài của sợi bột giấy thường được chấp nhận ở khoảng 0.4-0.5mm, hoặc cao hơn Để sản xuất bột giấy chất lượng cao, nhà sản xuất mong muốn giữ được chiều dài nguyên thuỷ của sợi gỗ nguyên liệu Tuy nhiên, điều này không thể xảy ra vì trong quá trình nghiền, nhờ các tác động cơ học, nhiều tính chất quan trọng của giấy được hình thành, nhưng các tác động này cũng là nguyên nhân cơ bản gây nên hiện tượng sợi

gỗ bị cắt ngắn [46], [57], [60] Vì vậy, việc lựa chọn hợp lý kết cấu thiết bị, thông

số vận hành là một cách tiếp cận hiệu quả để vừa có thể đảm bảo được chiều dài sợi

mà vẫn không làm giảm đi những tính chất cần thiết khác của bột giấy Đây là một giải pháp mang ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng của bột giấy

1.2.2 Độ nghiền

Độ nghiền (còn gọi là độ thoát nước) của bột giấy là một thông số quan trọng được sử dụng trong ngành giấy Giá trị của độ nghiền được coi là cơ sở để đánh giá chất lượng bột giấy [3], [16]

Hai thông số thường được các cơ sở sản xuất và các nhà nghiên cứu sử dụng

để đánh giá độ nghiền của bột giấy là độ CSF và độ SR

+ Độ CSF (Canadian standard freeness): Độ thoát nước tự do được xác định

theo tiêu chuẩn Canada Độ CSF càng lớn thì khả năng thoát nước của bột càng cao,

nghĩa là bột càng thô Trong sản xuất giấy, mong muốn bột giấy có độ CSF càng nhỏ càng tốt Theo định nghĩa chuẩn, độ CSF là số mi-li-lít nước chảy tích tụ từ lỗ thoát bên hông thiết bị đo chuẩn hóa của huyền phù bột có nồng độ 0.3% ở 200C (theo tiêu chuẩn T227 om - 85ml) Trong quá trình nghiền, độ mịn của bột tăng còn

độ thoát nước càng giảm và độ CSF giảm

+ Độ SR (Shopper Riegler) biểu thị mức độ mịn của bột giấy Bột giấy càng

mịn thì độ SR càng cao Trái với độ CSF, độ SR càng cao thì khả năng thoát nước của bột giấy càng thấp Độ SR được tính theo số ml nước chảy tích tụ từ lỗ thoát bên hông của thiết bị của huyền phù bột có nồng độ 2g/l ở nhiệt độ 200C (theo tiêu chuẩn SCAN - C19:65) Độ SR và độ CSF có giá trị ngược nhau

Độ CSF hoặc SR có nguyên tắc đo tương tự nhau, đều được sử dụng để đo độ nghiền của bột ở các quốc gia Ở Việt Nam, độ nghiền 0SR là thông số được sử dụng phổ biến [5] Nghiên cứu này sử dụng thang đo 0SR để đánh giá độ nghiền của bột giấy

Bột giấy được gọi là có chất lượng tốt khi độ nghiền SR tăng Thông thường,

để sản xuất giấy chất lượng cao nhà sản xuất thường yêu cầu độ nghiền bột giấy nằm trong khoảng 36-38 SR Ở Việt Nam, độ nghiền của bột giấy nguyên liệu thường được chấp nhận ở khoảng 34-36 SR, hoặc cao hơn Tuy nhiên, chất lượng bột càng cao (độ SR càng lớn) càng đòi hỏi thời gian và do đó, chi phí lớn Việc lựa chọn hợp lý kết cấu thiết bị, thông số vận hành là một cách tiếp cận hiệu quả để vừa

có thể nâng cao chất lượng bột giấy, vừa có thể hạn chế chi phí năng lượng [48]

1.2.3 Độ bền mẫu giấy thành phẩm

Một cách khác để đánh giá chất lượng bột giấy là sử dụng các thông số về độ bền của mẫu giấy được tạo từ bột cần đánh giá Hai thông số chính để đánh giá độ bền của mẫu giấy là độ bền kéo đứt và độ bền kéo xé

+ Độ bền kéo đứt: Chiều dài tối đa của băng giấy mà nó có khả năng chịu

được trọng lượng của chính nó

+ Độ bền xé: Lực trung bình cần thiết (đơn vị đo là N hoặc mN) để xé tiếp mẫu giấy đã được cắt trước theo tiêu chuẩn

Khi độ nghiền càng lớn (SR càng cao), đồng nghĩa với sự phân tơ, chổi hóa sợi tốt hơn, sự đan kết giữa các sợi trở nên chặt chẽ hơn và do đó, độ bền kéo của giấy cao hơn [46] Quan hệ này được minh hoạ trên hình 1.1

Hình 1.1 Mối quan hệ giữa độ nghiền và độ bền kéo của bột giấy [46]

Theo thời gian nghiền, sợi có xu hướng bị cắt ngắn nên độ bền xé có xu hướng giảm dần (Hình 1.2a) Tuy nhiên, độ chịu kéo của giấy phụ thuộc chủ yếu vào sự liên kết giữa các sợi Theo thời gian nghiền, sự phân tơ, chổi hoá sợi diễn ra mạnh

mẽ làm tăng liên kết sợi và do đó làm tăng độ bền kéo của giấy thành phẩm (Hình 1.2b) Hay nói cách khác, khi độ nghiền tăng, sợi bị chổi hóa nhiều và do đó độ bền kéo của giấy tăng [46]

Hình 1.2 Mối quan hệ giữa chiều dài sợi - độ bền kéo - độ bền xé của bột giấy [46]

a) Chiều dài sợi - độ bền kéo b) Độ bền kéo - độ bền xé

Có thể thấy rằng, độ bền của giấy thành phẩm có mối quan hệ chặt chẽ với chiều dài sợi và độ nghiền của bột giấy Ba thông số phản ánh chất lượng của giấy

và bột giấy này đều bị tác động trực tiếp bởi quá trình nghiền Nếu thời gian nghiền

tăng, sợi gỗ được phân chổi hoá nhiều, độ bền kéo của giấy tăng Tuy nhiên, khi này, sợi sẽ bị cắt ngắn nhiều và độ bền xé của giấy có xu hướng giảm Vì vậy, việc lựa chọn các thông số kết cấu và thông số vận hành của thiết bị nghiền phù hợp để nâng cao chất lượng của bột giấy, giấy là thách thức đặt ra cho các cơ sở sản xuất và các nhà nghiên cứu về lĩnh vực giấy và bột giấy

Để có thể lựa chọn các thông số kết cấu và thông số vận hành của thiết bị nghiền phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của bột giấy, giấy thành phẩm, việc hiểu

rõ bản chất tác động của quá trình nghiền đến sợi gỗ nguyên liệu là rất quan trọng Những nội dung chính liên quan đến các giai đoạn của quá trình nghiền, thiết bị nghiền, các tương tác cơ học của thiết bị đến sợi gỗ, nguyên lý của quá trình nghiền, ảnh hưởng của các thông số kết cấu và thông số vận hành đến chất lượng bột giấy

và năng lượng tiêu hao trong quá trình nghiền sẽ được trình bày chi tiết trong các phần tiếp theo

1.3 Khái quát về quá trình nghiền bột giấy

1.3.1 Khái quát về các giai đoạn nghiền

Sơ đồ tóm tắt tiến trình sản xuất giấy cơ bản được minh hoạ trên hình 1.3

Hình 1.3 Một quy trình sản xuất giấy [3]

Nước trắng

Xử lý cơ: Phương pháp nghiền,

nhiệt cơ, hóa nhiệt cơ

Nguyên liệu

Xử lý hóa: Phương pháp kiềm, trung

tính, axit (bột soda, sulphat, sulphit)

Dịch đen (thu hồi hóa chất)

Giấy thành phẩm

Gia keo bề mặt, cán, cuộn, cắt Xeo giấy,

ép sấy

Như có thể thấy trên hình 1.3, một quá trình tổng quát để sản xuất giấy từ cây nguyên liệu được bắt đầu từ giai đoạn băm cây gỗ thành dạng dăm, mảnh [4] Tiếp

đó, dăm, mảnh gỗ được xử lý bằng phương pháp hóa hoặc phương pháp cơ nhằm thu được bột giấy thô Bột thô này sẽ được tẩy trắng để đưa vào giai đoạn nghiền tinh Sản phẩm của giai đoạn nghiền tinh, như đã biết, là bột tinh, mịn Bột giấy tinh được trộn thêm phụ gia, xeo, ép, sấy, gia keo bề mặt, cán, cuộn, cắt… để tạo thành giấy thành phẩm

Trong công nghiệp giấy, việc sản xuất giấy từ cây nguyên liệu, sợi gỗ thường được trải qua hai giai đoạn nghiền là giai đoạn nghiền sơ bộ và giai đoạn nghiền tinh Hai giai đoạn này được minh hoạ trên hình 1.4

Hình 1.4 Giai đoạn nghiền trong quá trình sản xuất giấy [22]

Giai đoạn nghiền sơ bộ (nghiền nồng độ cao - high consistency) thường có

nguyên liệu đầu vào là dăm, mảnh gỗ có kích thước khoảng 25x25x2 mm Hình 1.4

mô tả tóm tắt nguyên liệu và sản phẩm đầu ra của giai đoạn này Dăm, mảnh gỗ được chế biến tại các nhà máy, phân xưởng chuyên dụng, độc lập với nhà máy, phân xưởng sản xuất giấy Ở miền Bắc nước ta, bột giấy thô chủ yếu được sản xuất

từ cây keo (keo tai tượng, keo lá tràm) tại nhà máy An Hoà (Tuyên Quang) và nhà máy giấy Bãi Bằng (Việt Trì) Sản phẩm của quá trình này là bột thô, bao gồm các sợi gỗ có kích thước chiều dài từ 1-3mm, đường kính khoảng 10-30 μm (hình 1.5)

Hình 1.5 Nguyên liệu và sản phẩm của giai đoạn nghiền sơ bộ [41]

Giai đoạn nghiền tinh (thuật ngữ chuyên môn thường gọi là nghiền nồng độ

thấp - low consistency) có nhiệm vụ nghiền bột thô đã được tẩy trắng (Hình 1.6)

Hình 1.6 Bột nguyên liệu dùng cho quá trình nghiền tinh

Mục đích của giai đoạn nghiền này là thay đổi hình thái của sợi gỗ, làm cho bột có các tính chất cơ, lý đáp ứng yêu cầu của sản phẩm giấy Giai đoạn này có các nhiệm vụ chính là [23], [27], [31], [32], [43], [45]: 1) tách bề mặt phía trong của sợi

thành nhiều sợi nhỏ (thường gọi là chổi hoá nội vi); 2) 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 có

sự thâm nhập của các phân tử nước trong quá trình nghiền Các thay đổi cấu trúc sợi nói trên có tác dụng làm tăng khả năng liên kết sợi và độ bền của giấy thành phẩm Hình 1.7 minh hoạ ảnh hưởng của việc phân tơ, chổi hoá sợi đến đặc tính của giấy thành phẩm [54]

a) b)

Hình 1.7 Ảnh chụp cấu trúc phân bố sợi trong giấy thành phẩm [54]

a) Tiết diện cắt ngang của một tờ giấy;

b) Sự xếp chồng và đan xen của các sợi trên mặt tờ giấy

Như có thể thấy trên hình 1.7a, bề dày của một tờ giấy bao gồm nhiều lớp sợi xếp chồng lên nhau Nói chung, độ dày của một tờ giấy thường gấp từ năm đến mười lần đường kính trung bình của một sợi bột giấy tinh [54] Sau quá trình nghiền tinh và cán giấy, đường kính các sợi giảm đáng kể, đồng thời các sợi được làm bẹt

ra, làm tăng diện tích tiếp xúc khi chồng lên các sợi khác Các sợi gỗ có được khả năng biến dạng này là nhờ một loạt tác động cơ học hữu ích xảy ra trong quá trình nghiền tinh Các tác động này sẽ được phân tích kỹ trong phần 1.4 dưới đây (phần nguyên lý nghiền tinh) Chính khả năng biến dạng mềm dẻo của sợi gỗ sẽ cho phép

bề dày của tờ giấy của nó dù rất nhỏ nhưng cũng chứa được năm đến mười lớp sợi đan xen, chồng lên nhau

Rõ ràng, nghiền tinh 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”

1.3.2 Thiết bị nghiền bột giấy

1.3.2.1 Các loại thiết bị nghiền

Các loại thiết bị nghiền được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp giấy gồm có: Nghiền bằng lô dao bay, nghiền côn và nghiền đĩa [9], [46]

a Nghiền bằng lô dao bay

Lô dao bay là một thiết bị nghiền bột giấy, được đặt trong thùng nghiền có dạng bể (cấu trúc này thường được gọi là máy nghiền Hà Lan) Cơ cấu công tác là

lô dao bay quay trên gối đỡ và dao đế cố định ở đáy bể (Hình 1.8)

Thiết bị nghiền này đòi hỏi thời gian nghiền dài, diện tích lắp đặt lớn, năng lượng nghiền cao và năng suất nghiền thấp Tuy vậy, chất lượng bột nghiền khi nghiền bằng lô nghiền khá cao, cho nên, chúng vẫn thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm nghiền bột giấy

Hình 1.8 Thiết bị nghiền Hà Lan [9], [46]

b Lô nghiền dạng côn

Lô nghiền dạng côn gồm có hai phần có dạng hình côn lồng vào nhau, có khe

hở từ 2 - 5mm Lô nghiền dạng côn thường được dùng để nghiền liên tục các bán thành phẩm xơ sợi Dạng phổ biến nhất của thiết bị này là trục truyền nằm ngang và góc côn nhỏ (xem minh hoạ trên hình 1.9)

Hình 1.9 Thiết bị nghiền côn trục ngang [9], [46]

Trên hình 1.9, có thể thấy rõ, lô nghiền côn gồm đĩa côn quay và đĩa côn cố định có răng nghiền trên bề mặt đĩa Nguyên liệu được nạp ở đầu côn bé, lực li tâm

sẽ đẩy bột giấy vào khe hở giữa hai đĩa, được nghiền và được thoát ra ở đầu côn lớn Khe hở làm việc được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh trục chính của máy

Hình 1.10 Thiết bị nghiền đĩa [9], [46]

Trên hình 1.10, bột giấy thô được đưa vào khu vực bao quanh tâm của đĩa cố định Chuyển động của đĩa nghiền quay sẽ cuốn dung dịch bột gỗ (gồm nước và các sợi gỗ, nồng độ khoảng 2-6 %), liên tục chảy qua đi qua khe hở hẹp giữa hai đĩa nghiền theo phương hướng kính Một số sợi gỗ quấn vào nhau và bị chèn vào khe

hở giữa hai đĩa và được phân tơ, chổi hoá (xem phần nguyên lý nghiền tinh dưới đây) Một số sợi đơn lẻ bị va vào răng đĩa, được cắt ngắn hoặc/và trượt trên bề mặt răng đĩa và do vậy, cũng được phân tơ, chổi hoá

1.3.2.2 Đánh giá các thiết bị nghiền

Việc lựa chọn thiết bị nghiền dùng trong quá trình sản xuất giấy cần được dựa trên cơ sở đánh giá đầy đủ ưu nhược điểm của nó so với thiết bị khác Trong đó, mức độ tiêu hao điện năng và chất lượng nghiền là những chỉ tiêu quan trọng nhất cần được quan tâm [22], [46] Ưu, nhược điểm của từng loại thiết bị xét theo các tiêu chí năng lượng tiêu hao và chất lượng nghiền sẽ được phân tích chi tiết như dưới đây

a Mức độ tiêu thụ năng lượng

Mức độ tiêu thụ năng lượng cho quá trình nghiền có sự khác biệt đáng kể giữa việc sử dụng thiết bị nghiền côn và thiết bị nghiền đĩa [41] Điều này được thể hiện

rõ trên hình 1.11

Hình 1.11 So sánh mức tiêu hao điện năng giữa máy nghiền đĩa và nghiền côn

Như có thể thấy trên hình 1.11, mức tiêu hao điện năng khi sử dụng thiết bị nghiền đĩa luôn thấp hơn so với khi sử dụng thiết bị nghiền côn Ở hầu hết các dạng sản phẩm nghiền, mức tiêu hao điện năng khi sử dụng đĩa nghiền thấp hơn khoảng 20% so với khi sử dụng lô nghiền dạng côn [41]

b So sánh về chất lượng nghiền

Chất lượng nghiền của bột được nghiền bằng đĩa nghiền luôn cao hơn nghiền côn Các nguyên nhân của ưu việt này bao gồm: 1) Ảnh hưởng của dòng chảy

ngược; 2) hiệu quả xé tơi sợi do đặc tính kết cấu và 3) ảnh hưởng của mòn Các nguyên nhân này được giải thích lần lượt như dưới đây

1 Trong quá trình nghiền, dòng chảy ngược của dung dịch nghiền làm ảnh

hưởng đến tính đồng đều của dòng bột trong vùng nghiền [9] Ở nghiền côn , dòng chảy ngược của bột ở vùng giữa và vùng đầu côn lớn nên chất lượng bột nghiền thường không đồng đều [9] Trái lại, trong nghiền đĩa, hiện tượng dòng chảy ngược gần như không đáng kể Do vậy, quá trình nghiền dùng lô nghiền dạng côn thường không được đồng đều như khi nghiền trên thiết bị nghiền đĩa Xem minh hoạ trên hình 1.12

Hình 1.12 Sơ đồ chuyển động của bột giấy a) Trong thiết bị nghiền côn [9] b) Trong thiết bị nghiền đĩa [41]

2 Tác dụng xé tơi sợi ở nghiền đĩa được thực hiện rất tốt, thêm nữa, xơ sợi ít

bị cắt ngắn Hiện tượng này hầu như không có ở nghiền côn [9] Những khác biệt này làm cho giấy được sản xuất từ bột của nghiền đĩa có độ bền cao hơn đáng kể so với giấy làm từ bột của nghiền côn Cũng do đặc điểm này, bột được nghiền qua thiết bị nghiền đĩa có khả năng thoát nước tốt trên máy xeo so với bột được nghiền bằng lô nghiền dạng côn [41]

3 Mòn trong giai đoạn mòn bình ổn của đĩa nghiền lại làm tăng chất lượng

bột giấy Trái lại, mòn của lô nghiền côn trong giai đoạn này lại làm giảm chất lượng bột

Do cấu trúc hình dáng có dạng phẳng của đĩa nghiền, việc lắp ghép giữa hai đĩa nghiền sẽ dễ dàng bảo toàn được vị trí song song và độ chính xác tiếp xúc giữa

các bề mặt đĩa nghiền hơn so với lắp ghép các lô nghiền côn [9] Hơn nữa, khi chiều cao của răng đĩa nghiền giảm đi do mòn, số lượng xơ sợi bột giấy chuyển dịch trên

bề mặt và các mép răng nghiền tăng lên Hiện tượng xơ sợi đi qua bề mặt và mép răng nghiền lại là tác động có lợi cho việc xử lý xơ sợi trong quá trình nghiền [46] Trái lại, trong nghiền côn, khi bị mòn, đĩa côn quay sẽ có xu hướng di chuyển dọc trục so với vị trí của đĩa cố định Sự di chuyển này dẫn đến làm giảm chiều dài phần tiếp xúc ăn dao, dẫn đến làm giảm diện tích tiếp xúc, có tác dụng nghiền, giữa các đĩa nghiền (xem minh hoạ trên hình 1.13) Thêm nữa, mòn không đều trên chiều dài răng cũng làm giảm diện tích tiếp xúc Diện tích tiếp xúc càng nhỏ thì khả năng nghiền bột càng thấp, dẫn đến làm giảm năng suất, chất lượng và hiệu quả nghiền [9], [41]

Hình 1.13 Sự tiếp xúc giữa các răng nghiền trong máy nghiền côn [9]

c Đánh giá chung

Các phân tích ở trên cho thấy, nghiền đĩa chiếm ưu thế hơn hẳn nghiền côn cả

về chỉ tiêu năng lượng và chất lượng bột nghiền Ngoài ra, răng đĩa nghiền có thể được chế tạo dễ dàng với nhiều hình dạng, kích thước khác nhau để phù hợp với công nghệ nghiền và tính chất khác nhau của các dạng xơ sợi nguyên liệu [3], [5], [33] Tuy nhiên, khả năng mềm dẻo này không có ở lô nghiền côn

Từ những phân tích trên có thấy, nghiền đĩa là một thiết bị quan trọng trong các cơ sở sản xuất giấy Việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả nghiền bột giấy khi sử dụng thiết bị nghiền dạng đĩa là vấn đề có

ý nghĩa quan trọng đối với ngành công nghiệp giấy Việt Nam Để làm được điều đó,

sự hiểu biết về các tác động cơ học xảy ra trong quá trình nghiền là rất cần thiết Nội dung này sẽ được trình bày chi tiết trong phần 1.4

1.4 Tương tác cơ học trong nghiền tinh bằng đĩa nghiền

1.4.1 Nguyên lý nghiền tinh dùng đĩa nghiền

Bản chất của quá trình nghiền bột giấy khi sử dụng thiết bị nghiền đĩa là dùng lực cơ học tác động lên xơ sợi xenlulô trong dung dịch bột - nước, làm biến đổi về mặt cấu trúc hoá lý (phân tơ chổi hóa, cắt ngắn xơ sợi, tăng diện tích bề mặt sợi), làm xơ sợi có kích thước đồng đều hơn, liên kết xơ sợi của bột tốt hơn và do đó, làm cho sản phẩm giấy đạt chất lượng cao hơn [3], [40]

Trong quá trình nghiền, sợi bột giấy nhận tác động cơ học khi răng đĩa nghiền trượt trên nhau Quá trình các răng nghiền tác động lên sợi bột giấy được minh hoạ trên hình 1.14

Hình 1.14 Sợi bột giấy giữa các răng nghiền

Nguyên lý quá trình nghiền tinh dùng đĩa nghiền được trình bày chi tiết như dưới đây (xem minh hoạ trên hình 1.15)

Trước hết, quá trình chuyển động của dòng dung dịch bột - nước trong khe hở giữa các răng đĩa sẽ tích tụ một lượng sợi gỗ có chiều dài đủ lớn thành từng bó trên cạnh đi trước (Leading edge) của răng đĩa Các sợi khác, có chiều dài ngắn hơn, không có khả năng bám dính vào các sợi khác sẽ bị cuốn theo dòng chảy của dung dịch Chỉ những sợi đã được tự bện thành bó mới được nghiền

Hình 1.15 Các giai đoạn nghiền [3], [46]

Tiếp theo, khi cạnh làm việc của răng đĩa quay gặp cạnh phía trước của răng đĩa cố định (Leading edge), bó sợi dính trên cạnh đi trước của răng đĩa quay sẽ chịu tác động va đập và tác động nén Do tác động của lực ép, thể tích nước trong búi sợi

sẽ bị đẩy ra ngoài

Trong giai đoạn tiếp theo (hình 1.15c), cạnh đi trước của đĩa quay chuyển động đến vị trí đối diện với bề mặt răng đĩa cố định Búi sợi chịu tác động của ma sát giữa các sợi với nhau và ma sát với bề mặt răng đĩa Tình trạng này tiếp diễn cho đến khi cạnh đi sau của răng đĩa quay vượt qua cạnh sau của răng đĩa cố định (xem minh hoạ trên hình 1.15 d,e,f)

1.4.2 Chuyển động của dung dịch bột – gỗ

Chuyển động tương đối giữa răng đĩa quay và răng đĩa cố định gây hiệu ứng dòng xoáy cho dung dịch bột - nước trong rãnh răng đĩa Hiện tượng dòng xoáy này chính là nguyên nhân làm cho các sợi gỗ bám dính và tạo thành búi trên cạnh răng đĩa Điều này được minh hoạ trên hình 1.16

Hình 1.16 Dòng xoáy cho dung dịch bột - nước trong rãnh nghiền [15], [41]

Chuyển động của các sợi gỗ trong dòng chảy của dung dịch giữa khe hở của các đĩa nghiền đã được giải thích thông qua giả thuyết khoa học và được nhiều nhà nghiên cứu chấp nhận từ những năm 1920 đến nay [45], [55] Theo giả thuyết này, các sợi gỗ ít có cơ hội dễ dàng chuyển động đơn lẻ trong dòng chảy Chúng thường quấn vào nhau, tạo thành các búi và bị nghiền khi đang ở trạng thái búi (xem minh hoạ trên hình 1.17)

Hình 1.17 Sự tạo thành các búi sợi và các tác động nghiền [10],[55]

Các nghiên cứu cũng chứng tỏ rằng, chất lượng nghiền phụ thuộc nhiều vào xác suất tạo thành búi trên cạnh răng đĩa và ứng xử cơ học của búi sợi trong quá trình bị nghiền Sợi gỗ mềm và dài sẽ dễ tạo thành búi trên cạnh răng, nhưng lại tạo thành búi có độ dai lớn, khó bị cắt đứt Các sợi gỗ cứng và ngắn sẽ khó tạo búi trên cạnh răng, nhưng các búi dạng này lại dễ dàng bị bẻ gãy trong quá trình nghiền Các thông số kết cấu của đĩa (chiều rộng răng, chiều rộng rãnh, góc nghiêng răng…) có ảnh hưởng quyết định đến diện tích tiếp xúc khi nghiền, xác suất tạo búi trên cạnh răng Chẳng hạn, nếu chiều rộng rãnh quá nhỏ, sợi hoặc búi sợi không thể quay trong rãnh và do vậy không có cơ hội mắc vào cạnh răng đĩa đang quay để được

nghiền Những búi hoặc sợi này nằm im và quay cùng rãnh cho đến khi ra khỏi vùng tiếp xúc rồi được cuốn ra ngoài Thêm nữa, khoảng cách giữa các đĩa cũng có ảnh hưởng quan trọng Khoảng cách quá nhỏ hoặc quá lớn so với búi sợi đều có thể làm tăng thời gian nghiền Khoảng cách nhỏ dễ gây hiện tượng tiếp xúc trực tiếp giữa các đĩa làm mẻ hoặc mòn răng Cùng một chiều rộng răng, chiều rộng rãnh răng, đĩa nghiền có góc nghiêng răng lớn hơn sẽ có chiều dài răng nghiền lớn hơn,

do đó, cơ hội các sợi bột giấy được tiếp xúc với bề mặt răng nghiền và được nghiền

sẽ lớn hơn

Nhận xét: Qua phân tích ở trên, rõ ràng, việc lựa chọn thông số kết cấu của

răng đĩa, tốc độ quay của đĩa, khoảng các khe hở, lưu lượng bột giấy… tốt nhất nên được xác định dựa trên các thông số đặc trưng của sợi gỗ nguyên liệu (chiều dài, đường kính, độ cứng của sợi gỗ…) Việc tính toán xác định mối quan hệ này bằng

lý thuyết là cực kỳ phức tạp và gần như bất khả thi Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số kết cấu đĩa và thông số vận hành đến năng lượng tiêu hao và chất lượng bột giấy phù hợp với bột nguyên liệu cụ thể là một hướng tiếp cận phù hợp và hiệu quả cho công nghiệp giấy ở các nước đang phát triển

1.4.3 Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền

Lực tác dụng trên răng đĩa nghiền là một đại lượng quan trọng, được nhiều nghiên cứu quan tâm [12], Hầu hết các nghiên cứu đều cho rằng, lực tác dụng trên răng đĩa khi nghiền bao gồm ba thành phần: lực pháp tuyến (lực nén), lực tiếp tuyến (lực cắt) và lực cạnh (edge force) Tương quan của các thành phần lực trên răng đĩa khi nghiền được minh hoạ trên hình 1.18 [55]

Lực pháp tuyến có tác dụng gây nén búi sợi trong quá trình nghiền [55] Thành phần lực tiếp tuyến chính là lực ma sát thuỷ động (hydrodynamical force) giữa bề mặt răng và búi sợi Thành phần lực cạnh (conner/edge force) tác động lên sợi khi cạnh của răng đĩa tiếp xúc với búi sợi Thông thường, lực này tác động trong thời gian ngắn và có cường độ lớn Các giá trị lực đã được mô hình hoá và tính toán thông qua nhiều nghiên cứu [55]

Hình 1.18 Lực tác động lên sợi bột giấy trong quá trình nghiền [55]

Trong quá trình nghiền, tác động cơ học của răng nghiền lên bó sợi làm cho sợi bị va đập, bị chà xát, bị kéo, nén Những tác động này làm cho các sợi nhỏ trên

bề mặt sợi bị mỏi và bị phân lớp (delamination) (xem minh hoạ trên hình 1.19)

Hình 1.19 Giản đồ về sự phân lớp ngoài của sợi do mỏi [55]

Việc hiểu rõ bản chất lực tương tác giữa răng đĩa và búi sợi khi nghiền có thể giúp cho việc tính toán, thiết kế, kiểm nghiệm răng đĩa theo độ bền Tuy nhiên, các giá trị lực này khá nhỏ để có thể gây nguy hiểm về độ bền cho răng đĩa Thông thường, phân tích lực được quan tâm như một cách tiếp cận khác để tính toán xác định năng lượng riêng trên răng đĩa nghiền Hầu hết các nghiên cứu đều sử dụng thông số năng lượng tiêu thụ để đánh giá hiệu quả năng lượng khi nghiền

Các lực tác động lên xơ sợi là nguyên nhân chính tạo nên sự thay đổi hình dạng, cấu trúc của xơ sợi Chính hình dạng, cấu trúc xơ sợi quyết định đến chất lượng bột nghiền và độ bền của giấy thành phẩm Sự thay đổi cấu trúc xơ sợi dưới các tác động cơ học của quá trình nghiền được trình bày trong phần dưới đây

1.5 Cấu trúc xơ sợi và chất lượng bột giấy

Sợi gỗ là thành phần cơ bản trong cấu trúc của giấy thành phẩm Đặc tính cấu trúc và tính chất cơ học của sợi gỗ có ảnh hưởng rất lớn đến sản phẩm nghiền Phần này sẽ phân tích khái quát các đặc tính này cũng như sự ảnh hưởng của chúng đến chất lượng bột giấy

1.5.1 Cấu trúc ngang của sợi gỗ

Nhiều nghiên cứu đều thống nhất [3], [22], [46] cho rằng, sợi gỗ gồm bốn phần: Phần lõi (W), vách tế bào thứ cấp (S1,2,3), vách tế bào sơ cấp (P) và vách tế bào trung gian (M) Cấu trúc của sợi gỗ được minh hoạ trên hình 1.20

Hình 1.20 Cấu trúc của một sợi gỗ [3], [22]

Các thành phần hoá học của một sợi gỗ gồm xenlulô, hêmixenlulô và lignin Các phân tử xenlulô và hêmixenlulô có khả năng tạo thành liên kết hyđrô với các phân tử khác kề sát với nó Chính các liên kết hyđrô giữa các sợi gỗ tạo nên các liên kết bên trong của giấy thành phẩm Các liên kết giữa các sợi gỗ càng chặt chẽ thì độ bền của giấy càng tăng