CN110719978B - 高稠度重新制浆方法、设备和掺入再循环纤维的吸收产品 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种将废纸制浆的方法，所述方法包括提供制浆容器，所述制浆容器带有转子和用于测量制浆容器内的浆液流量的至少一个流量传感器。向所述制浆容器装填浆液(废纸和水)，废纸和水的量使得所述浆液具有在10％至30％范围内的稠度。在预选择的功率水平下将所述纸浆容器中的废纸填料制浆，同时监测极向浆液流量；当极向流量下降低于预定的下限阈值流量值时，可添加水以减小粘度并恢复制浆容器内的极向流量。多普勒测速是监测浆液流量的优选的方法。在特别优选的构造中，转子具有可变动力驱动器。本发明的方法尤其可用于由批与批之间不同的废纸制造高质量、高亮度的配料。

Description

高稠度重新制浆方法、设备和掺入再循环纤维的吸收产品

相关申请的交叉引用

本专利申请基于2018年5月26日提交的美国非临时专利申请15/990,596，该申请基于2017年5月31日提交的美国临时专利申请62/512,800。据此要求前述专利申请的优先权，并且将它们的公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及利用高稠度制浆机造纸的废纸再循环以及掺入回收纤维的吸收产品。

背景技术

废纸制浆是生产再循环造纸配料的第一步。制浆有效性的主要量度为：1)收率，2)有效残余油墨浓度(ERIC)-测量标准手抄纸或纤维滤垫中为950nm的细小油墨颗粒的存在的光学测试，3)手抄纸亮度，4)胶粘物含量，5)灰分含量，6)油墨(“污垢”)斑点或颗粒，和7)视觉斑点指数(VSI)。VSI使用纸浆的稀释样品，其与标准参照在视觉上进行比较以测量被制浆的样品的百分比(不存在纤维薄片)。

虽然原始纤维趋于具有比再循环纤维更高的品质，但其成本超过再循环纤维，并且许多具有环境意识的消费者实际上优选由再循环纤维制成的吸收产品，诸如纸巾和薄页纸。

除了重新制浆之外，废纸再循环通常还包括脱墨和漂白废纸。名称为“BiologicalDe-Inking Method”的美国专利5,785,809公开了用酶将废纸脱墨。名称为“Process forRegenerating Wastepaper in the Presence of Hydroxysulfonate Salts”的美国专利5,234,545在第4栏第24行至第42行中提供了废纸再循环的典型条件。名称为“Process andPlant for Recycling Waste Printed Papers”的美国专利4,865,690教导了废纸的再循环过程，包括重新制浆、脱墨和漂白。废纸再循环对设备提出要求，尤其是因为纸浆浆液流随时间推移而具有磨蚀性，并且由于在再循环料流中存在外来物体诸如玻璃、木材或金属碎片、塑料和其他杂质。名称为“Stock Preparation Monitoring System and Method ofSame”的美国专利7,013,287公开了在纸原液处理系统中对筛网、螺旋输送机、箔、辊等的损坏或磨损进行超声感测。

商业上实践了多种重新制浆方法，三种主要技术为1)鼓式连续制浆，2)低稠度至中等稠度制浆(分批和连续的)，以及3)高稠度分批制浆。工业上的趋势一直朝向低能量鼓式制浆和减能分批制浆系统。该趋势在很大程度上基于传统观点，即所利用的制浆技术不是最终纸浆质量的关键因素，因为现代脱墨系统具有补偿制浆中的任何缺陷的能力。与传统观点相反，已发现，根据本发明优选废纸的高稠度制浆，前提条件是制浆过程被充分控制以避免将废纸过度制浆。

高稠度废纸重新制浆描述于Hong,Y.等人，Research Polymers in Pulping andPapermaking中的“Repulping Characteristics of Wastepaper at High Consistencywith Helical Repulper”[制浆造纸新兴技术国际研讨会]，第3期，中国广州，2006年11月8日至10日，第854页至第859页，其讨论了在实验室规模的高稠度制浆机中对废纸重新制浆。

以下参考文献也涉及高稠度制浆。名称为“Method and System for UtilizingWaste”的美国专利6,988,682公开了用连续操作高稠度制浆机再循环。参见说明书摘要。名称为“Process for the Breaking and Cleaning of Contaminant-Containing RawPaper Stocks,in Particular of Recovered Paper”的美国专利6,651,679教导了一种可包括高稠度制浆机的再循环方法。参见第3栏，第44行至第49行。名称为“Process forIncreasing Pulp Whiteness by Bleaching Printed Wastepaper Under IntenseDispersing Mechanical Treatment”的美国专利5,958,179涉及废纸的高稠度再循环，如名称为“Method for Producing a Blade Coated Paper from Recycled,High LigninContent,Waste Paper”的美国专利5,538,594所进行的。名称为“Apparatus forBleaching High Consistency Pulp With Ozone”的美国专利5,520,783公开了利用臭氧高稠度漂白纸浆。还参见名称为“Apparatus for Pulping Paper Making Stock at HighConsistencies”的美国专利4,593,861。

名称为“Pulping Apparatus Including a Rotor and Helical Screw FlightsExtending Upwardly From the Rotor”的美国专利4,535,943公开了分批制浆机。注：‘943专利的图1。该参考文献公开了在12％至25％固体的稠度下制浆，然后在接近加工结束时添加水以冲洗重新制浆容器。参见第6栏，第34行至第46行。

与高稠度制浆相关的传统实践是运行配方和定时的一系列操作，通常包括固定量的废纸、固定量的水和预定的制浆间隔。传统高稠度制浆可导致在亮度方面高度可变的结果(制浆不足的纤维薄片的存在有时也是显著的问题)，从而降低收率和质量。据信，亮度可变性在一定程度上是批次之间废纸差异所固有的，并且不存在实际制浆之前预测最佳制浆机配方的方法。废纸浆液的粘度受许多因素的影响，所述因素包括进料废纸水分含量、灰分和涂层含量，以及用于制造原始纸制品的造纸纤维的类型和形态。还应当注意，高稠度制浆的循环时间非常短，在全转子功率下低至8分钟至12分钟，使得任何调节(如果有的话)必须非常快速地进行。虽然可能可以测试每批废纸的加工特性，但此类测试在成本和时间上将是令人望而却步的。

在资本成本、收率、油墨移除、薄片分解、纤维通量、易操作性、废水体积和操作费用方面，高稠度制浆具有优于其他方法的优点。然而，据观察，按照常规实践的高稠度制浆通常对成品纸浆的亮度具有不利影响，因为产品中存在相对高含量的残余油墨，这在整个进一步加工中持续存在。不受任何特定理论的束缚，据信对极低薄片含量采用的高能制浆导致不可恢复的亮度损失，因为细小的油墨由于摩擦力重新附接到纤维上。这些油墨在脱墨系统中不易移除。根据本发明的优选方法的关键在于可靠地施加正确量的能量以达到最佳点，其中获得高收率、良好的油墨分解(低污垢)、高通量并且不具有亮度损失。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种将废纸制浆的方法，所述方法包括：(a)提供制浆容器，所述制浆容器带有具有动力驱动器的转子，和至少一个适于测量所述制浆容器内的浆液流量的流量传感器；(b)用废纸和水装填所述制浆容器以形成废纸浆液，所述废纸和水的存在量使得所述浆液具有在10％至30％范围内的稠度；(c)在所述制浆容器中将所述废纸浆液制浆，同时监测所述制浆容器中的极向浆液流量；以及(d)在制浆期间将制浆机中的极向浆液流量保持在或高于下限阈值浆液流量值。

已发现，不考虑脱墨系统，废纸再循环中采用的制浆方法对成品质量具有持久的影响。本发明提供了一种通过对高稠度制浆的独特控制策略由废纸生产高价值纸浆的方法。该方法最优选地涉及通过可变动力转子并且通过在重新制浆容器中保持目标极向速度，来直接控制能量输入的速率和用于制浆的总比能。通过监测制浆机中材料的极向速度，同时根据需要不时地添加水来调节填料的粘度，以便将制浆机中的极向流量保持高于下限流量阈值，便利地实现对纸浆浆液的速度控制。制浆机中的极向速度最优选地用多普勒测速仪来监测。不受任何理论的束缚，据信本发明方法避免了“过度制浆”，其中油墨被涂抹或重新附接到正在处理的纤维上。过度制浆是制浆时间和功率应用两者的函数。考虑在高稠度处理循环中制浆机中发生的情况。在开始时，制浆机仅包含水填料。在添加废纸时，存在水与相当完整的废纸和废纸薄片的完全流体混合物。该混合物具有接近水的粘度并且相当迅速地循环。该物质的形状为细长的环形，并且该流既是环形的(围绕长轴的圆形)又是极向的(围绕短轴的圆形，即从桶的底部，在容器壁向上，朝向中心返回并且穿过转子向下流动，参见箭头34，图1)。因此，在大多数情况下，极向流量便利地由制浆机壁附近的浆液的向上速度表征。定向多普勒效应超声流量计是最优选的。这些装置在仪器上指示的方向上测量纸浆浆液速度，并且应当在制浆机上在低湍流区域中，诸如远离转子底部定位，以获得最佳结果。随着单根纤维释放，纸浆混合物的粘度增加并且流动减缓。增加的粘度还增加马达的功率消耗。随着制浆继续，纤维中的灰分和涂层释放并分解，从而进一步增加粘度。几分钟后，环形流基本上停止，并且大部分流是极向的。功率应用达到其最大值，并且转子对纤维以及纤维对纤维的力继续粉碎油墨和纤维薄片。在循环结束时，添加稀释水并且纸浆团粘度下降，并且观察到相对较高速度的环形流和极向流两者。

如下文所讨论的，在开发本发明的同时在观察到的许多废纸制浆循环中，据信粘度增加到制浆循环期间显著的极向流动也停止的程度。在制浆机壁附近和制浆机顶部处的纸浆团停止循环，并且仅转子附近的纸浆移动。流量下降的后果包括：1)大部分纸浆制浆不足，因为其仅对于制浆循环的第一部分循环，和2)在转子底部和附近处的纸浆过度制浆，导致油墨拖尾和污垢颗粒的过度粉碎，从而使它们难以在脱墨系统中分离并且不利地影响成品纸浆的亮度。

本发明提供了一种用于实施高稠度制浆同时避免废纸填料的过度制浆的方法和设备。本发明的显著特征在于将制浆机中的极向流量维持在高于下限阈值，如图2数据集5所示。图2示出了稳定增加的能量应用，其中在整个重新制浆循环中在制浆机的所有区域中具有足够的流量。

最优选的结果通过选择和控制制浆时间、功率应用和用于高稠度制浆机的填料粘度来实现；后两个特征与给定系统相关，如下所述。

制浆机马达的功率消耗是变量的复杂函数，所述变量包括马达的类型、马达的速度、将马达连接到转子的齿轮箱的齿轮齿数比、转子设计、制浆机桶设计、制浆机中的水量、制浆机中的废纸量、废纸的特性以及如何在循环中的给定时间下将废纸粉碎或个体化。对于给定的系统设计和上述变量集，对废纸的能量应用与纸浆团的粘度和转子的速度成正比，直至过度的转子滑动或空化的程度。在理想条件下，纸浆平滑流入制浆机中心处转子的顶部中。当纸浆向下和向外行进时，转子使纸浆加速，并且以足够的力使纸浆从转子的底部抛出，以导致穿过底部、在侧面向上并返回到制浆机顶部中心的极向流，在所述顶部中心处纸浆重新进入转子。随着转子速度增加，流动阻力增大并且转子上的负载将增加。

随着转子速度增加，纸浆团的环形形状也开始在其竖直轴线方向上伸长，因为沿制浆机壁的向上力开始变得大于将纸浆向下和向内拉向转子顶部的恒定重力。随着转子速度增加，在某些时刻，转子缺料，因为纸浆到制浆容器中心的流入可不再跟上沿制浆容器底部到容器壁的流出，并且转子功率下降。纸浆还开始使制浆机壁短路，使得更靠近底部的纸浆将连续循环通过转子，然而较高的纸浆将停滞并最终停止循环。

操作高稠度制浆机的第二关键因素是纸浆团的粘度。在将废纸最初添加到制浆机中的水中时，流体的粘度基本上是水的粘度。随着纸材团开始分解成更小的片材和单独的纤维，粘度显著增加。废纸还可包括添加剂，诸如粘土、淀粉、碳酸钙、二氧化钛等。这些添加剂从纸材中释放并增加粘度。随着填料和单根纤维增加粘度，流动阻力增加，并且在缺料和空化发生的情况下，临界转子速度降低。一旦转子开始空化并且制浆机短路，结果就是一部分纤维被过度制浆(短路纤维)，并且一部分制浆不足(停止移动的上部纤维团)。根据情况，平均能量应用可不变，使得仅监测功率可未检出纸浆流的短路。

优选的制浆方法是以最大转子功率进行制浆达最可能短的时间，使得制浆非常快速地发生并且使亮度损失最小化。这要求粘度非常高并且保持刚好低于以下水平，其中纸浆浆液流量下降低于完全加载制浆机转子所需的最小值。本发明的方法提供了一种通过利用可变功率(和速度)转子控制制浆机中的比功率应用和线速度并且响应纸浆浆液流量测量值使用稀释水添加以调节粘度，在该窄窗口中操作制浆机的方法。优选在接近其实际最大值，通常在大于马达最大功率的90％，优选地在大于马达最大功率的95％，诸如介于马达最大功率的95％和100％之间的情况下操作制浆机马达。用于为制浆机转子供电的优选的系统是设置有AC驱动器的AC马达。AC驱动器通过改变为马达供电的电源的电压和频率来改变AC马达的速度。通常，AC驱动器由整流器和反相器单元以及用于控制输出的微处理器组成。为了保持适当的功率因数并减少马达的过度加热，应当保持铭牌电压/赫兹比。

其他特征和优点将由以下讨论变得显而易见。

附图说明

下文结合附图详细描述本发明，其中：

图1为根据本发明的用于将废纸重新制浆的设备的示意图；

图2为根据本发明所执行的制浆循环的转子功率(左纵坐标)和纸浆浆液极向速度(右纵坐标)相对于时间的曲线图；

图3A和3B为污染相对于废纸的制浆时间的曲线图；

图4A和图4B为残余油墨和手抄纸亮度相对于废纸的制浆时间的曲线图；

图5为示出鼓式制浆和高稠度分批制浆的油墨污染的柱状图；

图6为示出鼓式制浆和高稠度制浆的亮度的柱状图；

图7至图11为各种高稠度制浆试验的转子功率相对于时间的曲线图；

图12和图13为高稠度制浆试验的转子功率(左纵坐标)和纸浆浆液极向速度(右纵坐标)相对于时间的曲线图；

图14为高稠度废纸制浆试验的极向速度、稠度、功率/rpm、功率和马达速度相对于时间的曲线图；

图15为另一高稠度废纸制浆试验的极向速度、稠度、功率/rpm、功率和马达速度相对于时间的曲线图；

图16为又一高稠度废纸制浆试验的极向速度、稠度、功率/rpm、功率和马达速度相对于时间的曲线图；

图17为图14至图16的三(3)个试验的极向速度相对于时间的曲线图；

图18为图14至图16的三(3)个试验的极向速度和稠度的曲线图；

图19为数据集7的极向速度相对于马达RPM的曲线图，其中图上示出了增加的制浆时间；以及

图20是多阶段废纸制浆过程的框图。

具体实施方式

仅出于说明的目的，下面结合附图详细描述本发明。本发明在所附权利要求书中限定。本文所用术语以与下文所示的示例性定义一致的普通含义给出；除非另外指明，g是指克，m²是指平方米，MT表示公吨，kW是指千瓦，百分比、ppm等术语涉及重量百分比、百万分之一重量份等等。

“基本上由…组成”等术语是指所列举的组分并且不包括可显著改变组合物、制品或方法的基础特性和新颖特性的其他成分。除非另外指明或显而易见，当组合物或制品包含90重量％或更多的所列举组分或列出组分时，组合物或制品基本上由所列举的或所列出的组分组成。即，术语不包括超过10％未列举的组分。

术语“纤维素的”、“纤维素片材”等旨在包括掺入造纸纤维的任何产品，所述造纸纤维具有纤维素作为主要组分。“造纸纤维”包括原始纸浆或再循环(二次)纤维素纤维或包含纤维素纤维的纤维混合物。适用于制备本发明纤维网的纤维包括：非木质纤维，诸如棉纤维或棉衍生物、马尼拉麻、洋麻、胡椒、亚麻、茅草、稻草、黄麻、蔗渣、麦草牙线纤维和菠萝叶纤维；以及木质纤维，诸如得自落叶和针叶树的那些，包括软木纤维，诸如北方软木牛皮纤维和南方软木牛皮纤维；硬木纤维，例如桉树、枫树、桦树、白杨等。与本发明结合使用的造纸纤维通常为天然存在的纸浆衍生纤维(与重组纤维诸如莱赛尔纤维或人造丝相反)，其通过本领域技术人员熟悉的多种制浆方法中的任一种，包括硫酸盐制浆、亚硫酸盐制浆、多硫化物制浆、碱法制浆等，从其源材料中释放。制浆纤维可包括常规纤维(无论其来源于原始纸浆还是再循环源)和高粗度富木质素管状纤维诸如漂白的化学热磨机械浆(BCTMP)的共混物。因此，纸浆来源的纤维还包括高收率纤维如BCTMP以及热磨机械纸浆(TMP)、化学热磨机械纸浆(CTMP)和碱性过氧化物机械纸浆(APMP)。“配料”等术语是指用于制备纸制品的含水组合物，包括造纸纤维、任选的湿强树脂、溶胶剂等。

牛皮软木纤维是通过人们所熟知的牛皮(硫酸盐)制浆方法由针叶材料制成的低屈服纤维，并且包括北方软木牛皮纤维和南方软木牛皮纤维、道格拉斯杉木牛皮纤维等。牛皮软木纤维一般具有小于5重量％的木质素含量，大于2mm的长度加权平均纤维长度，以及大于0.6mm的算术平均纤维长度。

牛皮硬木纤维通过牛皮纸浆制造方法由硬木来源(即桉树)制成，并且通常也具有小于5重量％的木质素含量。牛皮硬木纤维比软木纤维短，通常具有小于1mm的长度加权平均纤维长度和小于0.5mm或小于0.4mm的算术平均长度。

稠度是指初生纤维网或浆液的固体百分比，例如以干基计算。具有80％水和20％干燥废纸的浆液具有20％的稠度。

“空气干燥”或简单地“干燥”意指包括残余水分，按照惯例，对于纸浆而言最多至约10％水分并且对于纸材最多至约6％；而烘箱干燥是指在烘箱中干燥数小时并且显著更干的纸浆或纸材。

根据本发明制备的产品由纤维素纤维底片制成，并且具有适用于纸巾和毛巾产品的吸收性或SAT值以及张力和密度。在大多数情况下，典型的SAT值大于约3g/g。参见美国专利8,778,138。

“CWP”是指通过常规湿压方法制备吸收产品的方法；即，用造纸毛毡将配料湿压到干燥滚筒上，然后使纤维网从滚筒起绉。参见美国专利7,951,266，其图7。

“结构化底片工艺”是指用于在最终干燥之前通过从滚筒湿法起绉(织物起绉)来制备吸收产品的方法。参见美国专利：7,850,823；7,585,388；7,585,389；和7,662,257。

“TAD工艺”是指用于制备吸收产品的通风干燥方法。通风干燥的起绉产品公开于以下专利中：授予Morgan,Jr.等人的美国专利3,994,771；授予Morton的美国专利4,102,737；以及授予Trokhan的美国专利4,529,480。这些专利中所述的方法通常包括在多孔载体上形成纤维网，热预干燥纤维网，以部分由压痕织物限定的辊隙将纤维网施加至Yankee烘干机，并且从Yankee烘干机使产品起皱。

毛巾制品的特征通常在于主要具有(基于纤维含量计大于50重量％)软木纤维。

纸巾制品的特征通常在于主要具有(基于纤维含量计大于50重量％)硬木纤维。

“废纸”是包括造纸纤维的任何纸材，所述造纸纤维可重新制浆和再循环。因此，废纸包括纸厂废料、消费前废物、和包括办公室废纸在内的消费后废物。纸厂废料是纸材制造中的纸碎料和其他纸屑，并且在造纸厂内部再循环。消费前废物是离开造纸厂但在准备供消费者使用之前被丢弃的材料。消费后废物是消费者使用后丢弃的材料，诸如旧瓦楞纸箱、旧杂志和报纸，然而办公废纸是后消费废物的子类，其主要包括激光和静电印刷纸。适用于再循环的纸材有时被简称为“废纸”。

再循环纤维是指从废纸回收的纤维。虽然可将任何合适的再循环纤维用于生产本发明的吸收制品，但在许多情况下优选具有较低含量的经研磨木材的再循环纤维，例如，根据所采用的配料混合物和应用，可优选具有小于15重量％的木质素含量，或小于10重量％的木质素含量的再循环纤维。再循环纤维在许多情况下为80％硬木纤维。

可变功率转子是指连接到驱动马达的转子，所述驱动马达具有用于设定功率水平的控制器，所述功率水平通常按该马达的最大值的百分比计。转子以可变速度操作以将马达加载到设定的功率值，并且速度将根据被制浆的填料粘度而有所不同。此类设备可商购获得，例如Siemens SINAMICS GM150变速驱动器(Siemens Aktiengesellschaft，Munich，Bavaria)。将优选的可变功率转子连接到设置有AC驱动器的AC马达。

纸浆流量、极向流量不稳定性、制浆持续时间和操作目标水平

可采用任何合适的非侵入性方法来测量制浆机内纸浆浆液的极向速度。优选基于超声方法的非侵入式流量测量技术，但同样可采用基于雷达、多普勒雷达、3D CAT扫描或其他穿透辐射计等的技术。可测量流量但不暴露于移动的纸浆团的任何方法均是合适的。存在两种类型的超声流量测量技术：渡越时间和多普勒；后一种技术有时也称为多普勒测速法。考虑到表面下方的纸浆运动不能通过观察或实时转子功率数据来测量，特别有效的选择是利用多普勒效应超声流量计。除了将多普勒测速计附接至桶壁之外，该技术几乎不需要对分批制浆机进行任何修改。应当注意，制浆机的内部对于流量测量装置而言是极其恶劣的环境。纸浆团产生高水平的摩擦，并且废纸通常包含固体金属、玻璃和木材污染物，其损坏安装在制浆桶内部的任何类型的探针。可将透明的观察端口添加到制浆机的壁上以便使用光学方法；然而，端口很可能快速损坏。使用便携式多普勒测量仪(Cole-Parmer型号32986-00)完成初始测试，并且发现多普勒测速法令人惊讶地良好运行。该方法的优点在于其是定向的，这允许在仪表上指示的流动方向上测量流速度和方向。适用于安装在分批制浆机壁上的仪表包括Dynasonics 5XPN1(Badger Meter，Milwaukee，Wisconsin)、DwyerInstruments 3PCL1(Dwyer Instruments，Michigan City，Indiana)以及来自其他制造商的等同物。

当极向速度在相对短时间间隔内表现出急剧下降时，极向浆液流表现出不稳定性，这通常伴随在极向浆液的流量不稳定性开始之后的附加的极向速度突变。不稳定性的开始是观察到极向速度初始急剧下降的时刻。极向速度的急剧下降的特征通常在于，在0.3分钟左右的时间段内25％或更多的极向速度减小，25％/0.3分钟或83.3％/分钟的减速。因此，与刚好在不稳定性开始前的极向速度相比，在极向浆液流的不稳定性开始的特征通常在于每分钟超过80％的极向速度的减速。与刚好在开始前的极向速度相比，在不稳定性开始时通常观察到超过100％/分钟，150％/分钟或更大的减速，特别是在图14至19中观察到的，如下文所讨论的。在实际操作中，可能期望完全避免纸浆浆液流不稳定性和/或在浆液流不稳定性发生后立即停止制浆。

当极向速度(或其他参数)的该水平或范围在很大部分的制浆时间间隔(超过制浆持续时间的40％)内被保持时，认为在制浆操作期间保持了特定的极向速度(或其他参数)水平或范围。纸浆持续时间等术语诸如制浆时间间隔是在制浆条件下废纸在制浆机中的停留时间。就本文所述的分批制浆而言，制浆的时间间隔在制浆机装填时开始并且马达被设定成制浆速度并持续，直至添加后制浆稀释水。后制浆稀释水通常以显著降低填料稠度；超过5％，即，20％稠度至小于15％稠度的量提供。后制浆添加水添加伴随极向浆液流量的急剧增加，如图14至18所示。优选在至少50％的制浆时间间隔或制浆持续时间内维持或保持特定的参数(例如，极向速度)水平或范围；适当地，在至少60％、70％、75％、80％、85％或更多，最多至90％或95％，或者最多至100％的制浆时间间隔内，保持特定的极向速度水平或范围。“制浆期间”意指在制浆时间间隔内或期间。

目标水平和操作水平是指维持特定目标值或特定参数内的范围。例如，极向流量的目标水平可以是特定速度，诸如0.15ft/sec或0.1ft/sec至0.4ft/sec的范围。

当涉及范围时，“在…内”包括该范围的端点。

初步试验

将废纸的样品供应给试验工厂并用制浆技术作为变量进行一系列实验。将鼓式制浆与高稠度制浆进行直接比较，其中两种纸浆运行通过相同试验规模的脱墨和漂白方法。选择脱墨和漂白方法以模拟本领域可商购获得的技术的状态，图3A和3B示出了制浆技术对可见墨斑浓度和计数的影响。在图3B中，nb/m²是指每平方米的斑点数。图3A和3B清楚地示出了高稠度技术优于鼓式制浆的优异油墨分解。其还示出了在高稠度单元中油墨随时间推移分解(鼓式制浆运行30分钟，其中仅30分钟样品被测试)以及在制浆的初始10分钟至15分钟中初始高油墨分解速率。

图4A和4B示出了纸浆的ERIC和亮度水平，以及ERIC(细小油墨)和亮度损失之间的明确的关系。这些实验证实，低能鼓式制浆不充分地分解油墨颗粒，从而导致产生“较脏的”纸浆。还明显的是，高稠度制浆可运行太长，使得从纤维释放的油墨过度分解成附接到纤维的ERIC，从而导致永久的亮度损失。

图5示出了在脱墨和漂白时滚筒原液和高稠度或Hi Con原液的可见墨分布(以ppm计，大于225μm的墨斑)。预料不到地，在整个脱墨过程中保持高稠度制浆的较低油墨含量。高稠度纸浆具有比鼓式制浆废纸低46％的可见墨含量。这与传统观点相反，即在后续加工中捏合和圆盘分散的机械作用将分解鼓式制浆后保留的可见油墨。

图6示出了与图5相同的纸浆的亮度分布。图6示出了在整个脱墨和漂白过程中持续存在的来自高稠度制浆机的降低的亮度。结论是在制浆约12分钟至15分钟后油墨涂抹或重新附接到纤维上。这是一个非常意料不到的结果，并且对于脱墨设计和制浆技术选择两者而言都是重要的。

进一步的初步工作包括对脱墨系统性能相对于制浆技术的分析。其证实不考虑脱墨系统技术，高稠度制浆递送较低的成品纸浆可见油墨含量。该工作示出高稠度制浆通常是“过度制浆”，从而导致永久性亮度损失。关于鼓式制浆，发现在鼓式制浆不足，导致高油墨和低收率。

进一步的工作还发现更多意料不到的结果。首先，就满负荷电流百分比而言，制浆机马达的功率消耗示出显著的批次之间的变化，并且不具有明显的原因。将马达的实际功率输出，以kW计(如通过变速驱动器测量)添加至记录的数据(“Pi”系统)以评估变化的原因。在对Pi数据进行分析之后，进行了附加的试验工作以开发纸浆稠度、转子速度和功率应用之间的关系。预期功率需求可随制浆机稠度下降。这基于以下原则：在添加更多的稀释水时，纸浆粘度，尤其是在较高的稠度下将下降；预期较低的粘度将有利于纸浆浆液在制浆机周围运动。然而，据观察，在许多试验中，在添加稀释水时，马达上的功率负载增加。这是完全意料不到的。据推测，纸浆粘度可已经这样高使得流入转子的纸浆变得不足以完全装载马达；转子缺乏制浆并且流动在系统中短路。

这种流动的短路不容易由转子马达的功率消耗辨别—但其可在循环完成后被识别。在许多情况下，在添加后制浆稀释水(“浇头水”)之后，立即观察到功率消耗的增加。该功率增加是稀释水充分降低粘度以使纸浆开始移动并且更充分接合转子的结果。在一些初始试验中，还观察到在添加稀释水后，可见油墨含量显著下降。这由在稀释后制浆不足的纸与具有较低油墨含量的过度制浆的纸混合来解释。应当注意，纸浆仅能从制浆机的顶部取样，因此如果循环停止，则仅可测试制浆不足的纤维。例如，图7示出了商业分批制浆机上的典型制浆机功率循环。许多制浆机示出平坦的功率曲线和在添加浇头水之后在循环结束时功率的增加。曲线中的两条示出在加水之后马达负载稳定增加，之后是功率减小。据信这两个制浆机在整个循环中具有足够的极向流量。应当注意，仅基于功率曲线数据，在非常快速的12分钟循环中对粘度进行实时调节(经由加水)是非常困难的。

超声测试证实如下假设：制浆机中的流量损失是非常常见的，并且显著影响所生产的纸浆的质量。对制浆机操作系统的分析，例如基于废纸填料计算的加水量示出，存在加水量的非常小的可变性，但产品质量的可变性很高。该发现证实，可变性在很大程度上是由于废纸本身的可变性。

已确定，利用高能、短循环制浆方法的高稠度制浆可产生高收率、低油墨含量和高亮度纸浆以进料到脱墨系统中，同时大大降低再循环的能量成本。通过稠度增加和/或较高的负载更靠近全马达负载运行具有以下有益效果：

-10％至30％节能(运行较少的制浆机)

-改善的脱墨

-制浆时间的减少

使制浆时间减少～10分钟具有以下有益效果：

-40％至50％节电

-潜在的更高的成品亮度

另一个关键特征是在制浆机中使用可变功率转子，以允许控制能量水平。特别有利的操作模式是使用变速制浆机驱动器并在10分钟之后以及在填料/空闲时间期间降低功率。该方案具有以下有益效果：

-30％至60％节电

-较高的成品亮度

-更容易的物流—可在转子处于空闲模式的同时在10分钟内测试制浆机

-减轻减少制浆机时间的下行风险(如果需要，可增加功率)

-减少了维护(转子和齿轮箱上的较小扭矩应力)

-改善的倾倒和分离循环时间

转子速度将影响在纤维提取期间和转储循环期间清空制浆机所需的时间—调节转子的速度允许纸浆批次之间更快的周转时间。通常，转子速度减小至远低于使浆液在桶中向上循环的速度。

本发明的另一个操作特征是在10分钟之后或在特定能量输入之后稀释填料以保持亮度(保持ERIC较低)。该方面提供了以下有益效果：

-20％至30％功率降低

-较高的成品亮度

-较低的油墨计数

-2％至5％增加的收率

附加试验

在15％至18％的制浆稠度下测试三次制浆机运行。废纸进料具有旨在生产光洁明亮的纸浆的更高亮度和质量。以2分钟的间隔对制浆机进行取样，其中开始时间在制浆机转子提升至全速时。通常将总制浆时间设定为12分钟，但是这些制浆机被延长至形成完整的数据集。在20分钟后，通过将制浆机速度调节至800rpm、900rpm、1000rpm、1100rpm和1200rpm并记录马达功率消耗来形成功率曲线。然后将大约1000加仑稀释水加入制浆机中，并重复功率曲线。添加另外1000加仑稀释水并生成第3功率曲线。最后，使制浆机正常继续、倾倒、并且开始下一个循环。对于每个组，在功率曲线之后的测试示出污垢显著下降并且VSI增加。这是意料不到的，因为在运行功率曲线所花费的短时间内功率增加非常低。

将这些中每一个的实际功率消耗与时间一起作图。与组2和组3相比，组1示出了不同的功率曲线。功率曲线差异的原因在当时不是已知的，但是已经归因于组2和组3中制浆机的极向流量相对于组1中部分损失的总损失。结果在图8和9中显示。

流量的损失还解释了这些制浆机的奇怪的功率曲线。在图10中，绘制了相对于每个组的未稀释纸浆和稀释的功率曲线变化。组1示出通常随稀释下降的功率-但下降小于预期。组2和组3示出了随每次稀释显著增加的功率-意料不到的结果。

在对商业单元的另一系列测试中，最初在制浆机桶中的几个点随机测试所有制浆机的流速。该数据清楚地示出在制浆时间的3分钟至5分钟之后在桶中的显著流量的规律性损失。该测试还示出制浆机中的短路，其中桶底部处的纸浆循环穿过转子。对于多个纸浆循环，进行下一个测试以监测桶中3个点处的流量。这些点是比制浆机桶的竖直部分的起点高大约12英寸的“底部”，高于18英寸的“中部”以及高于另外18英寸并且低于纸浆团的顶部水平大约1英寸至2英寸的“顶部”。每90秒对每个点进行测试(点之间旋转30秒)，并且记录流量。其中装填之后转子马达增加至1200rpm时的制浆开始是以下曲线的“0分钟”点。图11示出了三次运行的制浆机能量水平。三个组在制浆期间示出显著不同的能量曲线。组6示出了整个制浆中几乎平坦的能量曲线，然而组4和5示出随时间推移增加的能量(具有两个不同的斜率)。

对于组6，将速度数据连同图12中的功率一起作图。该组示出平坦的能量曲线，并且由速度数据清楚地看出在约4分钟后中在中间和上部测试点中的流量损失。还发现底部的一些移动，这指示制浆机底部中的短路和纤维过度制浆。

对于组4，速度数据示于图13中。该组示出了整个循环中的一些流量，其中中间通常在循环期间下降低于约0.1ft/sec。该组还示出转子上的增加的能量消耗，这被解释为整个循环中的一致性制浆。还应注意，与组6相比，所施加能量的较小增加。

对于组5，图2示出三次测试中实现的最佳制浆。该组具有稳定增加的能量应用，在整个循环中在制浆机所有区域中具有足够的流量。认为组5是最佳地实施的。

制浆机的典型操作顺序如下。废纸共混物、初始水填料、装填顺序和其他参数保持恒定。从空制浆机开始，进行以下步骤：

1.将转子马达速度设定为恒定的360rpm(36rpm转子速度，具有10:1齿轮齿数比)；

2.向称重传送装置中装入目标25,000lb.的废纸；

3.基于实际废纸重量进行计算，以确定达到21.5重量％计算稠度和加入制浆机的该体积的85％所需的水量；

4.将制浆机马达设为1200rpm，转子转速120rpm；

5.启动传送装置，并且在约1分钟至2分钟时间框内将废纸器加入制浆机中；

6.将计算的水填料的剩余15％加入制浆机中；

7.将制浆机马达放置成处于功率模式并允许调节速度以获得目标900kw，同时启动积分器以累积总kWHr/ton；

8.制浆循环继续，直至实现目标kWHr/ton；

9.将后制浆稀释水加入制浆机中以实现计算的12重量％稠度，并且制浆机在功率控制模式下运行3分钟以混合；

10.将制浆机从功率模式切换成速度模式，以1000rpm左右运行马达并且移除填料且清空制浆机，并且移除垃圾以准备下一次运行。

在另一试验中，使用紧接上文大致指示的程序，在具有图1的整体构型的制浆机上运行一系列三(3)次附加的运行，数据集7、8和9。使用上部多普勒传感器测量极向速度。对于这三次运行，在步骤7处实施附加步骤以用于测试的目的并表征制浆操作。在转子下，在制浆循环期间以受控速率添加稀释水以形成组合的功率、速度和速度控制。对于运行#7，在制浆循环的前11分钟将添加速率设为200加仑/分钟。在运行期间，控制系统以6秒时间间隔记录所有控制数据，所述时间间隔由图14的横坐标上的数字指示。

wt.fr.(重量％或稠度÷100)线示出在添加转子下水时，计算的稠度的稳定降低。其还示出制浆循环结束时的拐点，其中添加后制浆稀释水。

kW和RPM线示出马达在循环开始时处于1200rpm并且到达1400，直至功率达到目标900kw。然后发现，在功率保持恒定时，转子速度降低。kW/RPM线将这两者组合在一起，并且示出在整个制浆循环中每次旋转所施加的功率增加，直至其达到约0.77kW/RPM的最大值。

速度曲线示出当纸浆沿制浆机壁上升时的速度(基于超声多普勒仪)。该曲线在几个方面是令人惊讶和意料不到的。首先，当期望较高的转子速度导致较高的上升速度时，转子速度和壁速度之间似乎没有关系。其次，极向速度曲线示出从开始到约时间段75(6秒时间间隔)的线性下降，然后是不稳定性时间段，之后是上升曲线。在一定程度上预料到开始时的稳定下降，因为纸浆团随纤维个体化以及淀粉和其他添加剂分解而增稠。还预料在循环结束时(在后稀释水添加之后)速度的急剧增加，因为纸浆粘度自加水显著降低。然而，不稳定性时间段之后是上升趋势(时间段75-100)是意料不到的。使用相同的程序生成数据集8、9，并且示出令人惊讶地相似的曲线。

数据集8的结果在图15中示出。虽然设置和运行与数据集7相同，但RPM和功率线示出该制浆机未达到目标功率(900kw)，直到时间段100左右。这是上文讨论的废纸可变性的示例，尽管使用与数据集7相同的废纸等级，使用相同的水量和负载，但其看起来表现出不同的粘度。如同数据集7中一样，观察到速度稳定下降，直至在时间段130左右达到不稳定性的点。观察到相同的不稳定性，并且然后稳定上升的速度，直到添加后稀释之后的大幅增加。

在图16的数据集9中，观察到相似的速度曲线，其中不稳定性自时间段140左右开始，并且然后在时间段150之后速度上升。另外，还应当注意在间隔62之后的wt.fr.曲线拐点。在间隔62之前，转子下水流量低于目标，并且在间隔62之后达到200gal/min的目标流量。此后，对于多个时间段观察到马达kw下降，然后在时间段100之后达到目标。看起来稀释水在流动建立并停留在转子周围之后在一定程度上短路，并且然后其均匀混合到纸浆中。尽管具有不均匀的加水，但示出了与数据集7、8类似的速度曲线。还可以看出，kw/rpm值最大约0.78，并且保持稳定，无论是否添加稀释水。

图17示出了所有三个数据集7、8、9的速度数据。它们非常相似，尽管具有一些时间偏移，这是由于随时间推移的不同制浆进程，最可能地是由于废纸可变性，因为所述方法的所有其他特征基本上相同。

图18示出了速度曲线连同数据集7、8、9的计算的重量％数据。垂直线将速度曲线中的拐点投影到稠度，以示出当曲线具有相似形状时，对于每个速度曲线实际上存在不同的拐点。这指示稠度在此不是驱动因素，而是粘度。即，在给定的重量％下，废纸混合物的粘度将由于废纸纤维混合物和添加剂的变化而变化；虽然废纸在名义上全部都是相同“等级”的废纸。

在一些情况下，使用转子下加水点是便利的，因为典型的高稠度制浆机在该位置处包括适当尺寸的加仑/分钟入口(最高至300加仑/分钟)。

最佳制浆可刚好在不稳定速度点和拐点之前，其中附加的水导致速度增加。一种优选的控制方案是具有三个目标值的反馈控制方案：马达功率+rpm+速度。加水用于接近目标值。使用该方法制浆期间的一组参数(对于典型的废纸填料)为约900kw的马达功率，+1200rpm马达速度(120rpm转子速度)+0.2ft/sec极向速度。

另一优选的控制方案是使用两个目标值：高于0.7的kw/马达rpm(或高于7kw/转子rpm)并且速度＝0.2ft/sec。

另一种选择是正好在极向速度不稳定性点之后(即，在附加的水示出增加的速度时)制浆。实际上，这可能是使用适当算法控制制浆的更简单的地方。

上述方案部分地基于由本发明观察到的意料不到的结果。通过对数据集7的极向纸浆浆液速度相对于马达RPM作图，可能更容易观察到制浆特性，如图19所示。在制浆的前8分钟左右期间，在马达速度减小时，从废纸制浆开始至约8分钟，极向浆液流量线性降低。马达RPM和极向速度之间的关系表明与保持或增加浆液的速度相比，施用相对更多能量以将废纸制浆。在约8分钟时，在2分钟左右的时间段内出现极向浆液流量不稳定性，因为在再次稳定之前极向浆液速度波动并且随马达速度略微降低和添加水而线性增加，从而指示现在相对更多的能量被施加于增加浆液速度，而不是被施用于将废纸制浆。

高稠度分批制浆以废纸和水的混合物形式开始。粘度几乎是水的粘度，并且流量非常高。在纸材分解成较小的片材+单根纤维+分解的灰分和添加剂时，粘度增加。较高的粘度在转子上施加更多的拖曳力，这增加了旋转转子所需的功率。由于重力，较高的粘度还减慢纸浆进入转子的流动，这可使转子缺料，从而减小转子上的拖曳力，并因此降低功率。因此，在速度下降的区域中，来自废纸分解的粘度增加高于通过稀释水添加减小粘度的平衡。最终，达到分解缓慢的点(制浆几乎完成)。现在，附加的水导致粘度降低并且速度增加。在制浆开始时，功率与rpm的比率kw/rpm较低，并且然后随转子的粘度和接合两者的增加而增加。在速度的拐点周围，kw/rpm比率开始变平，并且随着添加更多水达到最大值。

观察到的速度不稳定性可能是由于纸浆流动性质的变化。可能是转子周围的纸浆实际上变成了流化的。如在速度测量仪弹跳中所观察到的，部分流化的纸浆导致流量变化。当达到足够低的粘度使得纸浆变成更稳定的流体的点时，速度开始上升。这也是转子的功率增加稳定化的点(如平坦的kw/rpm所指示的)。

在速度不稳定性点之前，制浆可能是最有效的。当纸浆变成流态化(如果确实是)时，纤维的特定能量输入减小—更少的纤维“工作”并且更多的能量被施用于推动周围纸浆。速度变化支持这一理论。在转变点之前，在面对功率增加时速度下降，因此功率进入纤维而不进入极向流。在转变后，能量越来越多地使纸浆团更快地移动，以便较少的能量进入单根纤维中。

下表1是用于操作下文结合图1所述类型的高稠度分批制浆机的典型且优选的参数。

表1-高稠度分批制浆机操作条件

质量	典型范围	优选范围
			填料稠度(％)	10-30	12-25
能量输入(kwh/MT)	5-20	9-11.5
			制浆持续时间(分钟)	6-25	7.5-20
极向速度(ft/sec)	0.05-0.6	0.1-0.4
			转子速度(RPM)	60-180	75-140
输入功率(kw)	700-1500	800-1200
			功率/转子RPM最大值(kw/RPM)	6-10	7-9

优选的操作

使用图1中示意性示出的设备适当地实施本发明。在图1中示出了高稠度分批制浆机10，其包括具有侧壁15的桶12，所述侧壁设置有内部挡板14,16，以及垃圾倾倒阀18和转子20。转子20通过标记为24的齿轮箱连接到马达22，所述马达设置有一般标记为22A的可变动力驱动器。

还提供了分别位于桶12的侧壁15的底部、中间和顶部附近的多个普勒速度传感器26,28,30。具体地讲，传感器26，28，30可分别定位在高度H的10％至20％处、高度H的40％至60％处、以及高度H的70％至90％处，其中H为高于桶12的底部35和图1中指示的正常操作水平33的高度。如果需要，传感器26，28，30可周向交错，以便检测桶12的不同部分处；即，圆周周围的不同位置处的流量。因此，使用在由指示的方向上测量纸浆浆液速度的一个或多个定向多普勒效应超声流量计，通过由箭头34指示的方向上的制浆机壁附近的浆液向上速度便利地表征极向流量。

在操作中，通过桶12的上部部分32装入废纸和水至正常操作水平33，并且在任何位置均为约10％至30％的纸浆稠度下操作制浆机，同时转子20向纸浆浆液施加剪切，从而导致纸浆浆液以在任何位置均为0.1ft/sec或以上，最高至1ft/sec左右的极向速度(标记为34)极向循环。转子20接近最大功率操作，并且监测极向速度34。如果极向速度34降至约0.1ft/sec的阈值以下，则加入稀释水以降低纸浆浆液的粘度，并且将极向速度34保持在0.1ft/sec或以上。添加稀释水以保持极向速度34还使转子20保持在或接近全功率下工作，以使对纸浆的能量输入最大化。通常，在10分钟左右的纸浆操作循环中，废纸的能量输入在约5KwHr/MT至40KwHr/MT范围内。在制浆结束时，添加稀释水，并且通过提取板(未示出)抽出纸浆。将桶12冲洗多次，并且然后垃圾倾倒阀18打开，并且将所有大垃圾从制浆机中冲出(线、木材、塑料瓶等)。垃圾进入滚筒筛，在所述滚筒筛中冲洗并回收残余纤维。然后，大垃圾进行垃圾填埋，或者在一些情况下进行塑料和金属回收。

存在多种方法来实现这种控制，其中最佳配置取决于制浆设备、废纸类型和期望的制浆结果。

一种示例性方法包括以下步骤：

1.向制浆机中装入水(基于废纸的实际重量和目标稠度)，并且然后在转子以中等速度转动的同时添加废纸。

2.一旦废纸和初始水填料完全处于制浆机中，转子就上升至最大速度，所述最大速度仅受驱动马达的最大功率消耗限制。如果需要，在制浆机循环期间调节转子速度，以使电机功率消耗保持小于最大值的100％。根据系统设计和负载，随速度坡度上升，功率可在某个点开始下降。如果存在指示较差循环和/或转子空化的功率下降，则可优选利用智能控制器算法来调节最大速度。

3.在制浆开始时，启动施用的比能蓄能器。蓄能器使用实际纸浆重量和马达的实测kW输出来计算比能。

4.监测纸浆团中几个点处的线性速度，并且向制浆机中加入附加等分试样的稀释水，以将上升纸浆团中的所有点处的线速度保持高于约0.03m/sec(0.1ft/sec)。

5.一旦达到目标比能，就添加“浇头”稀释水并减小转子速度以最小化对纸浆的能量应用并防止过度制浆和潜在的亮度损失。

6.从制浆机桶中提取纸浆。调节转子速度以获得最短的提取时间。

7.移除垃圾(未制浆的废纸和非纤维污染物太大而不能通过提取板)，并且系统准备启动下一个循环。

另一个示例性方法包括以下步骤：

1.向制浆机中装入所需总水的约40％至60％(基于废纸的实际重量和目标稠度)，并且然后在转子以中等速度转动的同时添加废纸。

2.一旦废纸和初始水填料完全处于制浆机中，转子就上升至最大速度，所述最大速度仅受驱动马达的最大功率消耗限制。如果需要，在制浆机循环期间调节转子速度，以使电机功率消耗保持小于最大值的100％。如果在较低水平制浆机中存在过多飞溅，则也可限制最大速度。这由流量计的速度读数过高或流量读数的波动过大指示。

3.在制浆开始时，启动施用的比能蓄能器。蓄能器使用实际纸浆重量和马达的实测kW输出来计算比能。

4.监测纸浆团中几个点处的线性速度，并且向制浆机中加入附加的稀释水，以将上升纸浆团中的所有点处的线速度保持高于约0.03m/sec(0.1ft/sec)。加水可以是连续的或等分的。

5.一旦达到目标比能，就添加“浇头”稀释水并减小转子速度以最小化对纸浆的能量应用并防止过度制浆和潜在的亮度损失。

6.从制浆桶中提取纸浆，并且系统准备开始下一个循环。

另一个示例性方法涉及两阶段制浆。初始制浆处于高稠度，并且第二阶段处于较低的稠度。较低稠度阶段允许较高的总能量输入与较少的亮度损耗风险。该方案将增加收率并减少污垢含量：

1.向制浆机中装入所需总水的约40％至60％(基于废纸的实际重量和目标稠度)，并且然后在转子以中等速度转动的同时添加废纸。

2.一旦废纸和初始水填料完全处于制浆机中，转子就上升至最大速度，所述最大速度仅受驱动马达的最大功率消耗限制。如果需要，在制浆机循环期间调节转子速度，以使电机功率消耗保持小于最大值的100％。

3.在制浆开始时，启动施用的比能蓄能器。蓄能器使用实际纸浆重量和马达的实测kW输出来计算比能。

4.监测纸浆团中几个点处的线性速度，并且向制浆机中加入附加的稀释水，以将上升纸浆团中的所有点处的线速度保持高于约0.03m/sec(0.1ft/sec)。加水可以是连续的或等分的。

5.一旦达到初始目标比能，就加入稀释水以使批料的稠度降低低于约10％，使得由于附加制浆的油墨沉积减少或完全消除。

6.制浆继续直至达到第二比能目标，然后添加浇头稀释水并减小转子速度以最小化对纸浆的能量应用并防止过度制浆和潜在的亮度损失。

7.从制浆桶中提取纸浆，并且系统准备开始下一个循环。

多级制浆可如上所述依次在单个分批制浆机中进行，或者如果需要，使用连续制浆机或串联布置的分批制浆器。多阶段制浆在图20中示意性地示出。在第一阶段100中，制浆在高稠度下，在10％至30％固体范围内进行，其中如本文所示进行流量控制以避免过度制浆。在第二阶段200中，在6％至8％固体的中间稠度范围内或在低稠度(<6％)下继续制浆，其中由于过度制浆的永久性亮度损失通常不发生。

另一示例性方法涉及在不移除垃圾的情况下重新装填高稠度制浆机，这可将循环时间缩短50％或更多。速度传感器允许2个或更多个循环跳过垃圾移除步骤。如同第一方法或第二方法中那样，制浆机进行制浆到期望的终点，添加浇头水，并且通过提取板抽出纸浆。然后向制浆机中重新装填更多的废纸和水，并且速度传感器使其可将填料调节至适当的粘度。将填料制浆至预定的能量输入，添加浇口水，并且然后从制浆机中抽出重新装填料。根据垃圾含量，然后可移除垃圾，或者如果足够低，则可重复该过程，并进行第二次重新装填和另一次制浆循环，但不需要清空制浆机的垃圾。该示例性方法可概括为：

1.向制浆机中装入水(基于废纸的实际重量和目标稠度)，并且然后在转子以中等速度转动的同时添加废纸。

2.一旦废纸和初始水填料完全处于制浆机中，转子就上升至最大速度，所述最大速度仅受驱动马达的最大功率消耗限制。如果需要，在制浆机循环期间调节转子速度，以使电机功率消耗保持小于最大值的100％。根据系统设计和负载，随速度坡度上升，功率可在某个点开始下降。如果存在指示较差循环的功率下降，则可优选利用智能控制器算法来调节最大速度。

3.在制浆开始时，启动施加的比能蓄能器。蓄能器使用实际纸浆重量和马达的实测kW输出来计算比能。

4.监测纸浆团中几个点处的线性速度，并且向制浆机中加入附加等分试样的稀释水，以将上升纸浆团中的所有点处的线速度保持高于约0.03m/sec(0.1ft/sec)。

5.一旦达到目标比能，就添加“浇头”稀释水并减小转子速度以最小化对纸浆的能量应用并防止过度制浆和潜在的亮度损失。

6.从制浆机桶中提取纸浆。

7.重复步骤1至6，直至流量读数指示垃圾含量过高；于是移除垃圾(未制浆的废纸和非纤维污染物太大而不能通过提取板)，并且系统准备启动下一个循环。

根据进料、产品质量要求等，可采用其它加工方案。

除了改善亮度和污垢移除之外，本发明还能够获得废纸重新制浆的高收率，如结合制浆试验通过测量高稠度分批制浆机的垃圾清除循环期间向旋转滚筒筛供电的马达的电功率变化量所发现的。功率变化量与垃圾，包括滚筒筛上存在的废品数(未制浆废纸)相关。发现与传统的基于配方的废纸重新制浆相比，利用本发明的教导内容对废纸重新制浆用于旋转滚筒筛的施加能量少31％。通过本发明观察到的滚筒筛的功率减小指示垃圾减少，这一般与相应的废品减少相关。这表示废纸收率的显著且意料不到的改善。

本发明的实施方案

下文列举了本发明的各种示例性实施方案和特征。

因此，根据本发明提供了实施方案1，其为一种将废纸制浆的方法，所述方法包括：

(a)提供制浆容器，所述制浆容器带有具有动力驱动器的转子，和至少一个适于测量所述制浆容器内的浆液流量的流量传感器；

(b)用废纸和水装填所述制浆容器以形成浆液，所述废纸和水的存在量使得所述浆液具有在10％至30％范围内的稠度；

(c)在所述制浆容器中将所述废纸填料制浆，同时监测所述制浆容器中的极向浆液流量；以及

(d)在制浆期间，将制浆机中的极向浆液流量保持在或高于0.05ft/sec

(1.524cm/sec)的下限阈值浆液流量值且在0.05ft/sec

(1.524cm/sec)至0.6ft/sec(18.28cm/sec)范围内，

其中将所述极向浆液流量保持在或高于所述下限阈值浆液流量值达至少60％的制浆持续时间。

实施方案2为根据实施方案1所述的方法，其中所述制浆容器设置有超声多普勒流量传感器。

实施方案3为根据实施方案2所述的方法，其中所述制浆容器设置有多个超声多普勒流量传感器。

实施方案4为根据实施方案3所述的方法，其中所述制浆容器具有高于该制浆容器的底部的填充高度H，并且第一超声多普勒流量传感器设置在高度H的10％至20％的高度处，第二超声多普勒流量传感器设置在高度H的40％至60％的高度处，以及第三超声多普勒流量传感器设置在高度H的70％至90％的高度处。

实施方案5为根据前述实施方案中任一项所述的方法，其中下限阈值流量值为0.05ft/sec或更高。

实施方案6为根据实施方案5所述的方法，其中下限阈值流量值为0.1ft/sec或更高。

实施方案7为根据实施方案1至6中任一个所述的方法，其中下限阈值流量值为0.05ft/sec至0.5ft/sec。

实施方案8为根据实施方案1至7中任一个所述的方法，其中浆液以12％至25％的稠度制浆。

实施方案9为根据实施方案1至8中任一个所述的方法，其中动力驱动器为在预选功率水平下操作的可变动力驱动器。

实施方案10为根据实施方案9所述的方法，其中可变动力驱动器为包括AC驱动器和AC马达的变频动力驱动器。

实施方案11为根据实施方案10所述的方法，其中AC马达以高于AC马达最大功率额定值的80％的功率水平操作。

实施方案12为根据实施方案11所述的方法，其中AC马达以高于AC马达最大功率额定值的90％的功率水平操作。

实施方案13为根据实施方案12所述的方法，其中AC马达以最高至AC马达最大功率额定值的120％的功率水平操作。

实施方案14为根据实施方案1至13中任一个所述的方法，其中浆液以5KwHr/MT至40KwHr/MT的比能输入制浆。

实施方案15为根据实施方案14所述的方法，其中浆液以5KwHr/MT至30KwHr/MT的比能输入制浆。

实施方案16为根据实施方案14所述的方法，其中浆液以5KwHr/MT至25KwHr/MT的比能输入制浆。

实施方案17为根据实施方案14所述的方法，其中浆液以7.5KwHr/MT至20KwHr/MT的比能输入制浆。

实施方案18为根据实施方案14所述的方法，其中浆液以8KwHr/MT至15KwHr/MT的比能输入制浆。

实施方案19为根据实施方案1至18中任一个所述的方法，其以分批模式操作。

实施方案20为根据实施方案19所述的方法，其中浆液制浆5分钟至20分钟。

实施方案21为根据实施方案19所述的方法，其中浆液制浆7.5分钟至15分钟。

实施方案22为根据实施方案19至21中任一项所述的方法，还包括回收经制浆的废纸，并且重复将废纸制浆的方法，但不从制浆容器中移除残余的垃圾。

实施方案23为根据实施方案1至22中任一项所述的方法，还包括用水将制浆机的填料稀释至低于10％的稠度，并且将稀释的浆料制浆。

实施方案24为根据实施方案23所述的方法，其中将制浆机的填料稀释至在6％至8％范围内的稠度。

实施方案25为一种制备吸收性片材的方法，所述方法包括：

(a)根据实施方案1至22中任一个所述的方法，通过将废纸制浆，由废纸获得造纸纤维；

(b)从所述制浆容器回收造纸纤维，任选地通过脱墨和/或漂白所述回收的纤维进一步加工所述回收的纤维；以及

(c)将所述回收的造纸纤维掺入吸收性片材中。

实施方案26为根据实施方案25所述的制造吸收性片材的方法，其中所述片材为纸巾片材。

实施方案27为根据实施方案25所述的制造吸收性片材的方法，其中所述片材为薄页纸片材。

实施方案28为根据实施方案25至27中任一个所述的制备吸收性片材的方法，其中通过CWP方法将回收的造纸纤维掺入吸收性片材中。

实施方案29为根据实施方案25至27中任一个所述的制备吸收性片材的方法，其中通过结构化底片方法将回收的造纸纤维掺入吸收性片材中。

实施方案30为根据实施方案25至27中任一个所述的制备吸收性片材的方法，其中通过TAD方法将回收的造纸纤维掺入吸收性片材中。

实施方案31为根据实施方案25至30中任一个所述的制备吸收性片材的方法，其中所述吸收性片材包含至少30重量％的回收的造纸纤维。

实施方案32为根据实施方案31所述的制备吸收性片材的方法，其中所述吸收性片材包含至少50重量％的回收的造纸纤维。

实施方案33为根据实施方案31或32所述的制备吸收性片材的方法，其中所述吸收性片材包含30重量％至80重量％的回收的造纸纤维。

实施方案34为一种高稠度制浆设备，所述高稠度制浆设备包括：

(a)用于接收废纸浆液的制浆桶，所述制浆桶具有侧壁；

(b)设置在所述制浆桶中，联接到动力驱动器的转子；以及

(c)附接到所述制浆桶的至少一个流量传感器，所述流量传感器适于测量所述制浆桶内的浆液流量；

其中所述流量传感器设置在所述制浆桶的所述侧壁上，并且测量所述浆液沿着所述制浆桶的所述侧壁的向上速度。优选地，所述流量传感器为超声流量传感器。在优选的实施方案中，所述制浆桶包含稠度在10％至30％的废纸浆液。

实施方案35为根据实施方案34所述的设备，其中所述流量传感器为超声多普勒流量传感器。

实施方案36为根据实施方案34或35所述的设备，其中所述制浆桶设置有多个超声多普勒流量传感器。

实施方案37为根据实施方案36所述的设备，其中制浆桶具有高于该制浆桶的底部的填充高度H，并且第一超声多普勒流量传感器设置在高度H的10％至20％的高度处，第二超声多普勒流量传感器设置在高度H的40％至60％的高度处，以及第三超声多普勒流量传感器设置在高度H的70％至90％的高度处；优选地，其中测量沿着所述制浆桶的所述侧壁的向上的浆液流量的所述多个超声多普勒流量传感器围绕所述制浆桶的圆周周向交错。

实施方案38为根据实施方案34至37中任一个所述的设备，其中所述制浆桶具有设置于其中的介于转子和制浆桶的侧壁之间的一个或多个挡板。

实施方案39为根据实施方案34至38中任一个所述的设备，其中所述动力驱动器为可变动力驱动器。

实施方案40为根据实施方案39所述的设备，其中可变动力驱动器为包括AC驱动器和AC马达的变频动力驱动器。

实施方案41为一种将废纸制浆的方法，所述方法包括：

(a)提供制浆容器，其带有具有动力驱动器的转子，和至少一个适于测量制浆容器内的浆液流量的流量传感器；

(b)用废纸和水装填所述制浆容器以形成浆液，所述废纸和水的存在量使得所述浆液具有在10％至30％范围内的稠度；

(c)选择下列的目标水平：(i)制浆容器中的极向浆液流量；(ii)动力驱动器的功率输入；和(iii)转子RPM；

(d)在制浆容器中将废纸填料制浆，同时监测(i)制浆容器中的极向浆液流量；(ii)动力驱动器的功率输入；和(iii)转子RPM；以及

(e)在将纸浆填料制浆期间向制浆容器添加水以针对相应目标值调节下列中一者或多者的测量水平：(i)极向浆液流量，(ii)动力驱动器的功率输入；以及(iii)转子RPM。

实施方案42为根据实施方案41所述的方法，其中极向浆液流量的目标水平在约0.1ft/sec至约0.4ft/sec的范围内。

实施方案43为根据实施方案42所述的方法，其中极向浆液流量的目标水平为约0.15ft/sec至约0.25ft/sec。

实施方案44为根据实施方案41至43中任一个所述的方法，其中动力驱动器的功率输入的目标水平在约700kw至约1500kw的范围内。

实施方案45为根据实施方案44所述的方法，其中动力驱动器的功率输入的目标水平在约800kw至约1200kw的范围内。

实施方案46为根据实施方案41至45中任一个所述的方法，其中转子RPM的目标水平在约60至约180的范围内。

实施方案47为根据实施方案46所述的方法，其中转子RPM的目标水平在约75至约140的范围内。

实施方案48为一种将废纸制浆的方法，所述方法包括：

(a)提供制浆容器，所述制浆容器带有具有动力驱动器的转子，和至少一个适于测量制浆容器内的浆液流量的流量传感器；

(b)用废纸和水装填所述制浆容器以形成浆液，所述废纸和水的存在量使得所述浆液具有在10％至30％范围内的稠度；

(c)选择下列的目标水平：(i)动力驱动器的功率输入/转子RPM的比率和(ii)制浆容器中的极向浆液流量；

(d)在制浆容器中将废纸填料制浆，同时监测(i)动力驱动器的功率输入/转子RPM的比率；和(ii)所述制浆容器中的极向浆液流量；以及

(e)在将所述纸浆填料制浆期间向制浆容器添加水，以针对相应目标水平调节下列中一者或多者的测量水平：(i)动力驱动器的功率输入/转子RPM的比率，以及(ii)极向浆液流量。

实施方案49为根据实施方案48所述的方法，其中动力驱动器的功率输入/转子RMP的比率的目标水平在6kw/RPM至10kw/RPM的范围内。

实施方案50为根据实施方案49所述的方法，其中动力驱动器的功率输入/转子RMP的比率的目标水平在7kw/RPM至9kw/RPM的范围内。

实施方案51为根据实施方案48至50中任一个所述的方法，其中极向浆液流量的目标水平在约0.1ft/sec至约0.4ft/sec的范围内。

实施方案52为根据实施方案51所述的方法，其中极向浆液流量的目标水平在约0.15ft/sec至约0.25ft/sec的范围内。

实施方案53为一种将废纸制浆的方法，所述方法包括：

(a)提供制浆容器，所述制浆容器带有具有动力驱动器的转子，和至少一个适于测量制浆容器内的浆液流量的流量传感器；

(b)用废纸和水装填所述制浆容器以形成浆液，所述废纸和水的存在量使得所述浆液具有在10％至30％范围内的稠度；

(c)选择制浆容器中极向浆液流量的目标水平；

(d)在制浆容器中将废纸填料制浆，同时监测制浆容器中的极向浆液流量；以及

(e)将水加入制浆容器中以针对目标值调节极向浆液流量的测量水平。

实施方案54为根据实施方案53所述的方法，其中极向浆液流量的目标水平在约0.1ft/sec至约0.4ft/sec的范围内。

实施方案55为根据实施方案54所述的方法，其中极向浆液流量的目标水平在约0.15ft/sec至约0.25ft/sec的范围内。

实施方案56为一种将废纸制浆的方法，所述方法包括：

(a)提供制浆容器，所述制浆容器带有具有动力驱动器的转子，和至少一个适于测量制浆容器内的浆液流量的流量传感器；

(b)用废纸和水装填所述制浆容器以形成浆液，所述废纸和水的存在量使得所述浆液具有在10％至30％范围内的稠度；

(c)在所述制浆容器中将所述废纸填料制浆，同时监测所述制浆容器中的极向浆液流量；

(d)在极向浆液流量的不稳定性开始之后，停止纸浆填料的制浆。

实施方案57为根据实施方案56所述的方法，其中在所述极向浆液流量的不稳定性开始后5分钟内停止制浆。

实施方案58为根据实施方案57所述的方法，其中在所述极向浆液流量的不稳定性开始后2分钟内停止制浆。

实施方案59为根据实施方案58所述的方法，其中在所述极向浆液流量的不稳定性开始后1分钟内停止制浆。

实施方案60为一种将废纸制浆的方法，所述方法包括：

(a)提供制浆容器，所述制浆容器带有具有动力驱动器的转子，和至少一个适于测量制浆容器内的浆液流量的流量传感器；

(b)用废纸和水装填所述制浆容器以形成浆液，所述废纸和水的存在量使得所述浆液具有在10％至30％范围内的稠度；

(c)在所述制浆容器中将所述废纸填料制浆，同时监测所述制浆容器中的极向浆液流量；

(e)操作制浆容器，包括任选地将附加的水加入制浆容器中，以便在制浆期间将极向浆液流量保持在约0.1ft/sec至约0.4ft/sec的范围内。

实施方案61为根据实施方案60所述的方法，其中在制浆期间将极向浆液流量保持在约0.15ft/sec至约0.25ft/sec的范围内。

以下水平和特征可结合本发明的任何制浆程序用作制浆期间保持的目标水平或操作水平。

废纸填料的稠度在约10％至30％稠度，适当地12％至25％稠度的范围内。

在制浆期间，对废纸填料的能量输入在约5kwh/MT至约40kwh/MT，适当地5kwh/MT至30kwh/MT或5kwh/MT至25kwh/MT或7.5kwh/MT至20kwh/MT的范围内。MT是指提供给制浆机的填料的干废纸的公吨数；kwh是指在废纸填料制浆期间提供给制浆机的能量输入的千瓦小时数。

下限阈值浆料流量值在0.05ft/sec至0.5ft/sec的范围内，通常为0.05ft/sec或0.1ft/sec。

极向浆液流量通常为在制浆期间在0.1ft/sec至0.4ft/sec的范围内；优选地在制浆期间在0.15ft/sec至0.25ft/sec的范围内。

转子动力驱动器的功率输入一般在700kw至1500kw的范围内；优选地在800kw至1200kw的范围内。

每分钟转子转速(RPM)在60RPM至180RPM的范围内；通常在75RPM至140RPM的范围内。

功率输入与转子RPM的比率在6kw/RPM至10kw/RPM；适当地在7kw/RPM至9kw/RPM的范围内。

制浆持续时间一般为5分钟至20分钟；更通常为7.5分钟至15分钟。

制浆可在极向浆液流量的不稳定性开始之后而不是目标时间间隔之后终止。当将不稳定性的开始用作停止废纸制浆的标记时，根据情况，制浆可在极向浆液流量的不稳定性开始之后5分钟内，在极向浆液流量的不稳定性开始之后2分钟内，或者在极向浆液流量的不稳定性开始之后更短或更长的时间内终止。

虽然已经详细描述了本发明，但在本发明的实质和范围内的修改对于本领域的技术人员将是显而易见的。此类修改也将被认为是本发明的一部分。鉴于上述讨论，本领域相关知识和上述参考文献与包括具体实施方式和发明背景在内前述说明相关，其公开内容全部以引用方式并入本文，进一步说明被认为是不必要的。此外，由前述讨论应当理解，本发明的各方面和各个实施方案的部分可整体地或部分地组合或互换。此外，本领域的普通技术人员将理解，前述说明仅以举例的方式，并不旨在限制本发明。

Claims (27)

1.一种将废纸制浆的方法，所述方法包括：

(a)提供制浆容器，所述制浆容器带有具有动力驱动器的转子和至少一个适于测量所述制浆容器内的浆液流量的流量传感器；

(b)用废纸和水装填所述制浆容器以形成废纸浆液，所述废纸和水的存在量使得所述浆液具有在10％至30％范围内的稠度；

(c)在所述制浆容器中将所述废纸浆液制浆，同时监测所述制浆容器中的极向浆液流量；以及

(d)在制浆期间，将所述制浆容器中的极向浆液流量保持在或高于0.05ft/sec的下限阈值浆液流量值且在0.05ft/sec至0.6ft/sec范围内，

其中将所述极向浆液流量保持在或高于所述下限阈值浆液流量值达至少60％的制浆持续时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述制浆容器设置有超声多普勒流量传感器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述极向浆液流量保持在或高于所述下限阈值浆液流量值达至少75％的制浆持续时间。

4.根据权利要求3所述的方法，其中通过下列中一者或多于一者将极向浆液流量保持在或高于所述下限阈值浆液流量值达至少75％的制浆持续时间：(i)添加附加的水，(ii)调节对废纸浆液的功率输入，(iii)调节转子速度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述下限阈值浆液流量值为0.1ft/sec。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括选择对废纸浆液的能量输入的目标水平，并且继续进行废纸浆液的制浆，直至达到对废纸浆液的能量输入的目标水平。

7.根据权利要求6所述的方法，其中对废纸浆液的能量输入的目标水平在每公吨5kwh至每公吨20kwh的范围内。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在制浆期间，将所述制浆容器中的极向浆液流量保持在0.1ft/sec至0.4ft/sec的范围内。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在制浆期间，将所述制浆容器中的极向浆液流量保持在0.15ft/sec至0.25ft/sec的范围内。

10.根据权利要求1所述的方法，其中在制浆期间将所述动力驱动器的功率输入保持在700kw至1500kw的范围内。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在制浆期间，将所述转子的每分钟转速保持在60至180的范围内。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在制浆期间，将所述转子的每分钟转速保持在75至140的范围内。

13.根据权利要求1所述的方法，其中在制浆期间，将所述动力驱动器的功率输入与转子的每分钟转速(RPM)的比率保持在6kw/RPM至10kw/RPM的范围内。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在所述制浆容器中将废纸浆液制浆，同时监测(i)所述制浆容器中的极向浆液流量；(ii)对所述动力驱动器的功率输入；和(iii)转子的每分钟转速；以及在将废纸浆液制浆期间向所述制浆容器添加附加的水以朝向相应目标水平调节下列中一者或多于一者的测量水平：(i)极向浆液流量，(ii)对动力驱动器的功率输入，(iii)转子的每分钟转速。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在所述制浆容器中将废纸浆液制浆，同时监测(i)对所述动力驱动器的功率输入/转子的每分钟转速的比率和(ii)所述制浆容器中的极向浆液流量；并且在将废纸浆液制浆期间向所述制浆容器添加附加的水，以朝向相应目标水平调节下列中一者或多于一者的测量水平：(i)对所述动力驱动器的功率输入/转子的每分钟转速的比率，(ii)极向浆液流量。

16.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在所述制浆容器中将废纸浆液制浆，同时监测所述制浆容器中的极向浆液流量；以及在极向浆液流量的不稳定性开始之后，停止废纸浆液的制浆。

17.根据权利要求16所述的方法，其中在所述极向浆液流量的不稳定性开始后2分钟内停止制浆。

18.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在所述制浆容器中将废纸浆液制浆，同时监测所述制浆容器中的极向浆液流量；以及向所述制浆容器添加附加的水以朝向目标水平调节极向浆液流量的测量水平。

19.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在所述制浆容器中将废纸浆液制浆，同时监测所述制浆容器中的极向浆液流量；以及操作所述制浆容器，同时将极向浆液流量保持在0.1ft/sec至0.4ft/sec的范围内，操作所述制浆容器包括向所述制浆容器添加附加的水。

20.一种制备吸收性片材的方法，所述方法包括：

(a)根据权利要求1所述的方法，通过将废纸制浆，由废纸获得造纸纤维；

(b)从所述制浆容器回收造纸纤维，任选地通过脱墨和/或漂白所回收的纤维进一步加工所回收的纤维；以及

(c)将所回收的造纸纤维掺入吸收性片材中。

21.一种用于稠度在10％至30％的废纸浆液的制浆设备，所述设备包括：

(a)用于接收废纸浆液的制浆桶，所述制浆桶具有侧壁；

(b)设置在所述制浆桶中、联接到动力驱动器的转子；以及

(c)附接到所述制浆桶的至少一个流量传感器，所述流量传感器适于测量所述制浆桶内的浆液流量；

其中所述流量传感器设置在所述制浆桶的所述侧壁上，并且测量所述浆液沿着所述制浆桶的所述侧壁的向上速度。

22.根据权利要求21所述的设备，其中所述流量传感器为超声多普勒流量传感器。

23.根据权利要求22所述的设备，其中所述制浆桶设置有多个超声多普勒流量传感器。

24.根据权利要求23所述的设备，其中所述制浆桶设置有：第一超声多普勒流量传感器，所述第一超声多普勒流量传感器设置在所述制浆桶底部上方高度H的10-20％的高度处；第二超声多普勒流量传感器，所述第二超声多普勒流量传感器设置在所述制浆桶底部上方高度H的40-60％的高度处；以及第三超声多普勒流量传感器，所述第三超声多普勒流量传感器设置在所述制浆桶底部上方高度H的70-90％的高度处。

25.根据权利要求23所述的设备，其中测量沿着所述制浆桶的所述侧壁的向上的浆液流量的所述多个超声多普勒流量传感器围绕所述制浆桶的圆周周向交错。

26.根据权利要求21所述的设备，其中所述动力驱动器为可变动力驱动器。

27.根据权利要求21所述的设备，其中所述制浆桶包含稠度在10％至30％的废纸浆液。

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