JP5307400B2 - 製紙原料処理装置 - Google Patents

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Description

この発明は、抄紙機に供される前工程における製紙原料の改質処理を行うもので、特に古紙の脱墨処理を行うのに適した製紙原料処理装置に関する。
製紙工程は、木材のチップに化学処理を施してパルプ化し、抄紙機に供して抄紙し、乾燥させることが主体となっている。抄紙機に供する前工程として、パルプを水中で離解させ、叩解し、異物を除去する等の処理が行われる。ところで、主として省資源の観点から、古紙から再生パルプを製造し、製紙原料とされて古紙の有効再利用が図られている。この再生パルプも抄かれる紙の質に応じて前記前工程に添加されるが、古紙の場合には既に印刷等が施されたものであるから、前工程に添加する前に印刷インキをパルプ繊維から分離させて除去する脱墨工程を要する。従来、この脱墨工程では、インキを繊維から剥離させる剥離装置として、繊維同士の摩擦力を利用したニーダーや繊維と刃物のせん断力によるディスパーザーなどが用いられていたが、繊維の損傷が増大したり、剥離させたインキが繊維に再付着してしまう等の問題があり、新聞紙や段ボール等、再生紙としての用途が限定されてしまっている。
また、例えば、高白色度処理を行って中質紙等に利用する場合等では、薬品による処理やその際の処理温度の管理等が必要となり、脱墨工程を複雑にしたりエネルギーコストを増大してしまうおそれがあった。また、古紙の多様化に伴い、複写機等に用いられるトナーやＵＶ樹脂インキ等の難剥離性物質の混入が増加しており、それに対応させる場合には、ニーダー等の機械的負荷が増加してしまうおそれがある。これにより、繊維自体の短小化や微細繊維の増加、繊維のねじれ等による紙力や寸法安定性の低下、紙のカール等が問題となっている。
このため、本願出願人は、キャビテーション噴流技術を利用した改質処理の提案を行った（特許文献１参照）。このパルプ処理装置は、古紙から再生パルプを製造する工程において、パルプ懸濁液にキャビテーション気泡を積極的に導入し、そのキャビテーション気泡の崩壊時の衝撃力を利用してパルプ繊維や無機粒子からインキ等の汚染物質を剥離させるようにしたものである。
国際公開ＷＯ ２００５／０１２６３２ Ａ１
上述した特許文献１に開示されたパルプ処理装置では、繊維損傷が少なく、薬品処理やその温度管理を行う必要がなく白色度を向上させられ、インキの再付着または擦り込みがなく、低濃度処理が可能で、また殺菌処理を可能とすることができることが確認された。
そこで、この発明は、このパルプ処理装置を、パルプ製造工程に実装することを行える製紙原料処理装置を提供することを目的としている。
前記目的を達成するための技術的手段として、この発明に係る製紙原料処理装置は、キャビテーションにより発生したキャビテーション気泡を懸濁液中の製紙原料に接触させ、キャビテーション気泡の崩壊時の衝撃波によりこの製紙原料を処理する製紙原料処理装置において、前記製紙原料を含む懸濁液を供給して、キャビテーションを発生させる処理ユニットと、噴射液体を貯留する第１供給タンクと、前記懸濁液を貯留する第２供給タンクと、前記第１供給タンクに吸込側を、前記処理ユニットに吐出側を連通させて、前記処理ユニットの内部に前記噴射液体を噴射させるための圧力を発生させる高圧ポンプであって、該高圧ポンプの吸込口に配された弁を弁座に密着させるコイルバネによる押圧バネの線材の外周の長さをパルプ繊維の長さの２倍以上の長さとした第１ポンプと、前記第１ポンプに連通して、前記噴射液体を噴射させて噴流による前記キャビテーション気泡を発生させる噴射口と、前記第２供給タンクに吸込側を、前記処理ユニットに吐出側を連通させた第２ポンプと、前記第２供給タンクと工程原料の受け入れ配管とを連通させ、前記処理ユニットを通過した処理済み液の次工程への供給管を前記受け入れ配管に接続させ、前記第１ポンプから前記噴射口を経由して噴射液体を処理ユニットに噴射させると共に、前記第２ポンプから懸濁液を処理ユニットに供給して処理ユニット内部で発生したキャビテーション気泡と接触させ、処理ユニット内で処理された製紙原料を後工程へ供給、または前記第２供給タンクへ返還することを特徴としている。
すなわち、処理ユニットにノズルやオリフィス管、ベンチュリー管等が用いられた前記噴射口から懸濁液を噴射させてキャビテーションを発生させ、キャビテーション気泡の崩壊による処理を、この処理ユニット内で行うようにしたものである。キャビテーションによる改質作用を受けて処理ユニットから排出される処理済み液は、その状態で後工程に提供できる場合には供給し、未だ十分な処理が行われていない場合には前記供給タンクに返還させて、再度処理ユニットに噴射して改質処理を行うようにしてある。なお、処理ユニットでの処理回数等は、懸濁液を噴射する際の圧力や処理ユニットでのキャビテーションの発生状況等により、所望の状態の製紙原料が得られるものとする。また、改質処理に供すべき懸濁液は、前記供給タンクに供給する。この供給は、処理ユニットでの処理を適宜回数行った後処理済み液を採取するようにしたバッチ処理を行う場合には、処理の終了に応じて行い、処理済み液を採取しながら行う場合には、採取量に相当する量の懸濁液を連続して行う。
ここで、本発明のキャビテーションによる製紙原料の処理とは、製紙原料を含む懸濁液中にキャビテーションによってキャビテーション気泡を発生させ、これを懸濁液中の製紙原料に接触させて処理して、パルプ繊維を処理するものである。例えば、所望の濾水度に調製し強度を向上させる叩解処理、パルプ繊維表面の親水化、パルプ繊維の外部フィブリル化、さらにパルプに付着しているインキなどの疎水性物質の除去、及び有機着色成分の分解などの脱墨処理である。
また、本発明においてキャビテーションによる処理の対象とする製紙原料は、針葉樹または広葉樹、非木材繊維などを原料とするパルプである。より具体的には、クラフトパルプ等の化学パルプ、砕木パルプ、サーモメカニカルパルプ等の機械パルプ、あるいは古紙や繊維素からなる物質から製造された再生パルプ等が挙げられる。古紙としては、例えば、新聞やチラシ、更系雑誌、塗工紙系雑誌、感熱記録紙、感圧記録紙、模造紙、色上質紙、電子写真用転写紙、コンピュータアウトプット用紙、あるいはこれらの混合古紙に適用できる。
すなわち、処理ユニットに懸濁液を噴射させてキャビテーションを発生させ、キャビテーション気泡の崩壊による改質処理を、この処理ユニット内で行うようにしたものである。また、２台のポンプを備えて、これらポンプの作動や停止、これらポンプの配管経路の変更により、懸濁液の処理態様を変更させることができる。
懸濁液を噴射することによって、制御可能なキャビテーションを効率よく発生させるために、高圧ポンプによって懸濁液を噴射させるようにしたものである。後述するように、この高圧ポンプの吐出圧力としては、前記処理ユニットの入口圧力が0.5ＭPa以下となってしまった場合にはキャビテーション気泡の発生効率が低下するおそれがあるので、0.5ＭPa以上であることが望ましい。なお、使用する高圧ポンプについてはこの吐出圧力を確保できるものであればよいが、ポンプ効率の点から、プランジャー式のものが好ましい。
また、処理ユニットに改質処理すべき懸濁液と、この懸濁液に向けて噴射液体を噴射させることによりキャビテーションを発生させるようにすることもできる。噴射液体としては、清水や製紙工程で回収される再用水、パルプ搾水、白水、パルプ懸濁液等を用いることができる。懸濁液は前記供給タンクに供給され、噴射液体は前記第１ポンプに供給されて、この第１ポンプによって処理ユニットに噴射されることになる。他方、懸濁液は前記第２ポンプによって処理ユニットに噴射される。これら噴射液体と懸濁液とは処理ユニット内で衝突すると共に、キャビテーションの発生によって処理される。
また、噴射液体用の第１供給タンクと懸濁液用の第２供給タンクとを具備させてある。噴射液体には、前述したように、清水等を用いることができるが、パルプ搾水や白水のように製紙工程で発生した液体を用いる場合には、一時的に貯留させて供給することが簡便となり、連続的に供給できるので、懸濁液用とは異なるタンクを具備させたものである。
処理ユニットに懸濁液のみを噴射させてキャビテーションを生じさせる場合に、第１タンクと第２タンクとを連通させる。他方、懸濁液と噴射液体とを噴射させる場合には、これら第１タンクと第２タンクとを分離して、懸濁液と噴射液体とを各別に貯留させる。
また、請求項２の発明に係る製紙原料処理装置は、前記第１ポンプの吐出側において噴出される前記懸濁液の圧力を検出し、その検出値に基づいてポンプ吐出圧を制御する吐出圧力調整手段を備えていることを特徴としている。
懸濁液を噴射させる第１ポンプの吐出圧を、キャビテーションを発生させるのに適宜な大きさに維持するよう、この吐出圧の調整手段を設けたものである。例えば、吐出圧を検出して調整する圧力調整器を設けるものである。
また、請求項３の発明に係る製紙原料処理装置は、前記処理ユニットを密閉し、この処理ユニットの出口圧力を検出し、その検出値に基づいて処理ユニット内の圧力を制御する出口圧力制御手段を備えていることを特徴としている。
また、請求項４の発明に係る製紙原料処理装置は、前記第１ポンプに吐出圧力が0.5MPa以上である高圧ポンプを、前記第２ポンプに定容ポンプをそれぞれ用いたことを特徴としている。
高圧ポンプから噴射液体を噴射させることによりキャビテーションを起こさせ、発生したキャビテーション気泡を、定容ポンプから噴射された懸濁液に向けて噴射するようにしたものである。この場合に、高圧ポンプには、吐出圧力が0.5MPa以上のものを使用するようにしたものである。なお、噴射液体を噴射する際の吐出圧力は0.01MPa以上60MPa以下、好ましくは0.5MPa以上30MPa以下とすることが好ましい。吐出圧力が0.01MPa未満ではキャビテーションを十分に発生させることができない。また、60MPaより高い場合、特殊なポンプ及び圧力容器を必要とし、消費エネルギーが大きくなることからコスト的に不利であり、さらにパルプ繊維が過度に損傷を受け、製紙原料として使用するには好適ではなくなる。
また、請求項５の発明に係る製紙原料処理装置は、前記処理ユニットに懸濁液を噴射する複数の噴射口を備え、これら噴射口からの噴射方向を、処理ユニットの軸方向に対して、噴流が処理ユニットの下流側を指向した方向となる状態に傾けてあることを特徴としている。
処理ユニットには、改質処理すべき懸濁液の供給側と処理済み液の排出側とがあり、懸濁液は供給側が上流となって下流である排出側に向かって流れることになる。そして、懸濁液はこの流れの方向に対して傾いた方向に噴射される。このため、各噴射口から噴射された懸濁液は処理ユニットの内部で衝突する。この衝突時にキャビテーションにより形成されたキャビテーション気泡が崩壊して、懸濁液中の製紙原料に作用することになる。キャビテーションは、懸濁液を高圧で噴射させることにより発生させる。
また、請求項６の発明に係る製紙原料処理装置は、前記処理ユニットに懸濁液を噴射する複数の噴射口を備え、これら噴射口からの噴射方向を、処理ユニットの軸方向とほぼ平行な方向を指向させてあることを特徴としている。
懸濁液の噴射方向を、処理ユニット内の流れ方向と平行な方向としたものである。処理ユニット内での懸濁液の衝突が起こりにくいので、円滑な流れを形成でき、処理ユニット内での処理時間が短縮される。なお、キャビテーションは、懸濁液を高圧で噴射させることにより発生させる。
また、請求項７の発明に係る製紙原料処理装置は、前記処理ユニットに、この処理ユニットの軸方向とほぼ平行な方向を指向させてある複数の平行噴射口と、上流から下流に向かう方向に対して、噴流が処理ユニットの中央を指向した方向となる状態に傾けた複数の傾斜噴射口とを備えていることを特徴としている。
懸濁液と噴射液体とを衝突させるようにした構造である。例えば、噴射液体を噴射することによって発生したキャビテーション気泡を懸濁液中の製紙原料に衝突させることで、このキャビテーション気泡を崩壊させ処理するようにしたものである。
また、請求項８の発明に係る製紙原料処理装置は、前記平行噴射口を処理ユニットの上流側の壁体に設け、前記傾斜噴射口を処理ユニットの側壁に噴流の流れ方向に適宜間隔で設けたことを特徴としている。
懸濁液と噴射液体との衝突場所を複数箇所に配した構造としたものである。例えば、懸濁液を平行噴射口から噴射させ、噴射液体を傾斜噴射口から噴射させると、懸濁液が処理ユニット内を流れる間に複数回にわたって噴射液体が衝突する。したがって、懸濁液中の製紙原料はキャビテーションにより生じたキャビテーション気泡の崩壊による衝撃を複数回受けることになる。
また、請求項９の発明に係る製紙原料処理装置は、前記平行噴射口から前記懸濁液を噴射させ、前記傾斜噴射口から前記噴射液体を噴射させることを特徴としている。
懸濁液と噴射液体とを衝突させる態様として、処理ユニットの流れ方向に流れる懸濁液に対して、斜方向から噴射液体を噴射させて衝突させる構造としたものである。
また、請求項１０の発明に係る製紙原料処理装置は、前記処理ユニットに、この処理ユニットの軸方向とほぼ平行な方向を指向させてある複数の平行噴射口を設け、これら平行噴射口の内の適宜な噴射口から前記懸濁液を噴射させ、他の噴射口から噴射液体を噴射させることを特徴としている。
すなわち、懸濁液と噴射液体とを処理ユニットの流れ方向に沿って噴射させるようにしたものである。
また、前記処理ユニットの複数箇所で、かつ、噴射方向の異なる複数の噴射口を配設し、これらの噴射口を選択できるようにして、樹種や古紙の種類等による製紙原料の性質に応じて噴射の態様を変更できるようにしても構わない。
また、前記処理ユニットの壁体に配する斜め方向に噴射させる噴射口の並設個数を変更できるようにすることが好ましい。
この発明に係る製紙原料処理装置によれば、キャビテーションを利用した処理を処理ユニット内で効率よく行うことができ、パルプ製造工程において実装することを可能とすることができる。
また、高圧で懸濁液を処理ユニットに噴射できるから、確実にキャビテーションを発生させることができる。
しかも、キャビテーションを利用した処理を処理ユニット内で効率よく行うことができ、パルプ製造工程において実装することを可能とすることができる。
また、請求項２の発明に係る製紙原料処理装置によれば、前記第１ポンプから処理ユニットに噴射させる懸濁液の圧力を一定に維持できるので、安定した処理を行うことができる。
また、請求項３発明に係る製紙原料処理装置によれば、処理ユニット内の圧力を一定に維持することができるから、一定の状態への処理を安定して行うことができる。
また、請求項４発明に係る製紙原料処理装置によれば、高圧ポンプから噴射される噴射液体でキャビテーションを発生させ、定容ポンプから噴射される懸濁液に衝突させるから、確実なキャビテーションの発生と、発生したキャビテーション気泡が製紙原料に接触することを確実に行わせることができる。
また、請求項５または請求項６の発明に係る製紙原料処理装置は、懸濁液を噴射することによりキャビテーションを発生させるようにしたから、装置の構造を単純なものとすることができる。
また、請求項７の発明に係る製紙原料処理装置によれば、懸濁液に噴射液体を衝突させるように噴射させるようにしたから、噴射液体の噴射により生じたキャビテーション気泡が懸濁液中の製紙原料に接触することが促進され、処理の効率を向上させることができる。
また、請求項８の発明に係る製紙原料処理装置によれば、キャビテーションによる作用を複数回発生させられるから、処理ユニットを通過することにより、例えば、確実にインキ等が製紙原料から剥離される。
また、請求項９の発明に係る製紙原料処理装置によれば、懸濁液が複数回にわたってキャビテーション気泡と接触するから、複数回の処理を受けて、例えば、確実にインキ等が製紙原料から剥離される。
また、請求項１０の発明に係る製紙原料処理装置によれば、懸濁液と噴射液体との接触時間を大きくすることができ、製紙原料はキャビテーションによる改質作用を十分に受けることができる。
以下、図示した好ましい実施の形態に基づいて、この発明に係る製紙原料処理装置を具体的に説明する。
図１にこの製紙原料処理装置１の第１の実施形態を示している。この製紙原料処理装置１は、処理ユニット２と第１タンク３、第２タンク４、第１ポンプ５、第２ポンプ６が主体とされて構成されている。第１タンク３には図示しないパルパーによりパルプや古紙を離解した懸濁液が、配管3aから供給される。この配管3aの途中には、開度が変更される液位調節弁3bや開閉弁3c、逆止弁3d、流量計3eが介在されている。第１タンク３には液位検出調整計3fが設けられており、この液位検出調整計3fにより第１タンク３の液位が検出され、その液面の高さに応じて、前記液位調節弁3bを開閉して流量を調整することによって第１タンク３内の液位が一定に保たれている。また、配管3aの途中には、懸濁液をサンプリングするための採取口3gが設けられている。
第１タンク３と第１ポンプ５の吸込側とが導入配管である入口配管3hを介して連通させてある。この第１ポンプ５はプランジャー式による高圧ポンプが用いられている。この第１ポンプ５の吐出圧力は、処理ユニット２の入口圧力が0.5ＭPa以下となってしまった場合にはキャビテーション気泡の発生効率が低下するおそれがあるので、0.5ＭPa以上であることが望ましい。また、入口配管3hの途中にはサンプリングのための採取口3iが設けられている。第１ポンプ５の吐出側は前記処理ユニット２の入口側に入口配管5aを介して連通させてある。また、第１ポンプ５の吐出側には圧力調整弁5bが設けられており、第１ポンプ５の吐出圧が設定値よりも大きくなった場合には、この圧力調整弁5bが開放されて、吐出量の一部が配管5cを通って第１タンク３に返還されるようにしてある。なお、配管5cの途中には流量計5fが設けられている。また、入口配管5aの途中には圧力計5dが設けられている。
前記第２タンクには前記第２ポンプ６の吸込側が連通させてある。この第２ポンプ６には定容ポンプが用いられている。この第２ポンプ６の吐出側には配管6aを介して前記処理ユニット２の入口側が連通されている。また、この配管6aの途中から分岐管6bが設けられ、開閉弁6cを介して第１タンク３に吐出液が供給されるようにしてある。また、配管6aには、流量調整計6dと採取口6e、開閉弁6f、圧力計6gとが設けられている。さらに、第１タンク３と第２タンク４とは、途中に開閉弁7aが設けられている連通配管７で接続されており、この開閉弁7aを開放することによって連通させることができるようにしてある。
前記処理ユニット２の出口側には出口配管８が接続されており、この出口配管８によって処理ユニット２を通過して改質処理された処理済み液が第２タンク４に返還されるようにしてある。出口配管８には、流れ方向に順に、圧力調整計8aと開閉弁8b、採取口8c、開閉弁8d、流量計8e、液位調節弁8fが設けられている。前記採取口8cと開閉弁8dの間位置には分岐管９が接続されており、この分岐管９には逆止弁9aと開閉弁9bとが設けられており、この分岐管９を介して処理済み液が後工程に供給されるようにしてある。また、前記開閉弁8dと流量計8eとの間には、逆止弁10aと開閉弁10bとが設けられた受け入れ配管である分岐管10が接続されており、この分岐管10を介して処理すべき工程原料である懸濁液または処理済み液がタンク４に供給される。また、前記第２タンク４には液位検出調節計4aが設けられており、この液位検出調整計4aにより第２タンク４の液位が検出され、その液面の高さに応じて、前記液位調節弁8fを開閉して流量が調整されて、第２タンク４内の液位が一定に保たれるようにしてある。
次に、この発明の第２の実施形態を図１に従って説明する。第１タンク３にはキャビテーション気泡を発生させるために使用される噴射液体が貯留されており、第２タンク４には処理対象となる製紙原料を含む懸濁液が貯留されている。噴射液体としては、清水、パルプ搾水、白水等の処理対象となる懸濁液よりパルプ繊維の固形分濃度が低いものが好ましい。なお、噴射液体は配管3aを介して第１タンク３に供給され、処理すべき懸濁液は分岐管10を介して第２タンク４に供給される。図１においては、第１タンク３と第２タンク４は、開閉弁7aを閉じた状態として使用するが、第１タンク３と第２タンク４とは完全に別体であってもよい。
図２〜図４は前記処理ユニット２の概略構造を示している。図２において、左側が入口側となっている。この処理ユニット２は、入口側から順に入口側フランジ2a、入口側短管2b、噴射口付短管である複数個のノズル付短管2c、出口側短管2d、出口側フランジ2eが、それぞれが互いに着脱可能に接続されて構成されている。
前記入口側フランジ2aには、中心部に平行噴射口となる中央部ノズル管2fが取り付けられており、周辺部には複数本の平行噴射口となる周辺部ノズル管2gが取り付けられている。これら中央部ノズル管2fと周辺部ノズル管2gは、いずれも先端部を処理ユニット２の入口側（上流側）から出口側（下流側）に向かう方向、すなわち処理ユニット２の軸Ｏの方向と平行な方向で出口側を指向して取り付けられている。また、中央部ノズル管2gにはベンチュリー部2hが設けられている。なお、ベンチュリー部2hに代えてオリフィスが設けられているものであっても構わない。この入口側フランジ2aに前記入口側短管2bがフランジによって接続されている。
前記入口側短管2bには前記ノズル付短管2cが、フランジによって接続される。このノズル付短管2cは、図３及び図４に示されているように、周面の４箇所に軸Ｏの方向に対して傾けてある傾斜噴射口となる周壁ノズル管2iが取り付けられている。この周壁ノズル管2iの傾きの方向は、ノズル付短管2cとの接続側が、処理ユニット２の下流側となる状態とされており、この周壁ノズル管2iの軸Ｏi同士が、前記軸Ｏとほぼ等しい点で交差するようにしてある。このノズル付短管2cをフランジを介して複数個接続させ下流側に前記出口側短管2dが、フランジによって接続されている。この実施形態では、４個のノズル付短管2cを接続させた構造を示してあるが、接続する個数は改質処理の仕様に応じて増減する。
また、前記出口側短管2dには処理ユニット２の内の滞留空気を排出するための抜気管2kが設けられている。なお、この実施形態では、処理ユニット２をその軸Ｏがほぼ水平となる状態に配したものとしてあるため、この抜気管2kが設けられているが、軸Ｏをほぼ鉛直方向に設置する場合には、抜気管2kは不要となる。
前記出口側フランジ2eには、中心から偏倚した位置に出口管2jが設けられており、処理ユニット２を通過して改質処理されたパルプ等を含む懸濁液はこの出口管2jから排出される。
また、図示省略したが、処理ユニット２の内部にノズルから噴射された噴流の流れを遮る邪魔板を設けることもできる。この邪魔板は処理ユニット２の内側壁面から１mm〜５mm程度の間隙が形成されるように配設し、ノズルから噴射された噴流によってキャビテーションが生じ、次いでこの間隙を通過することによって第２のキャビテーションが生じるようにすることが好ましい。
図５は前記周壁ノズル管2iに装着される噴射口であるノズル11を示す図で、ノズルチップ11aとノズルチップ11aを保持させるチップホルダ11b、ノズルホルダ11b内でノズルチップ11aの位置を調整するスペーサ11c、ノズルチップ11aとスペーサ11cとをノズルホルダ11b内で固定するチップ押さえ11dとから構成されている。ノズルチップ11aは円筒形に形成されており、例えばステンレス等、耐摩耗性を備えた素材が用いられている。前記スペーサ11cはノズルチップ11aの前側に配される。このスペーサ11cは円筒形の主体部11c1と後部に拡径された座部11c2が形成された形状に形成されている。前記チップホルダ11bは円筒形の主体部11b1とこの主体部11b1の先端側に円錐台形に形成された絞り部11b2とから形成されており、絞り部11b2の内部の先端には、前記スペーサ11cの主体部11c1が収容されるスペーサ収容部11b3が形成され、このスペーサ収容部11b3の後部に前記ノズルチップ11aが収容されるチップ収容部11b4が形成されている。また、主体部11b1の後部内側面には雌ネジ部11b5が形成されている。前記チップ押さえ11dは、前記雌ネジ部11b5に螺合する雄ネジ部11d1が形成されている主体部11d2と、この主体部11d2の後部に主体部11d2よりも拡径されて形成された座部11d3と、主体部11d2の前側に前記ノズルチップ11aの外径とほぼ等しい外径に縮径されて形成された押さえ部11d4とが形成された形状とされている。また、主体部11d2の内側後部には、配管接続用の雌ネジ部11d5が形成されている。なお、このノズル11を前記周壁ノズル管2iに挿入する構造とすることができるが、前記チップホルダ11bを周壁ノズル管2i自体とした構造とすることもできる。本実施形態では、図２に示すように、周壁ノズル管2iをノズルホルダ11bとした構造が採用されている。
パルプ繊維の懸濁液を噴射する場合には、前記ノズルチップ11aの内径は0.5mm〜5.0mmであることが好ましい。0.5mmよりも小さい場合にはパルプ繊維が詰まりやすくなり、また小径となるため低濃度での処理を必要とするため、単位原料の処理の時間を要すると共に、電力消費が大きくなる。他方、5.0mm以上とする場合にはキャビテーションの発生効率が低下し、所望の効率での改質処理を行えなくなるおそれがある。なお、ノズルチップ11aの内形状は円形に限られない。また、前記ノズルチップ11aの肉厚は、1.5mmから内径の約３倍までの範囲にあることが好ましく、1.5mmよりも小さくなると、高圧で供給される懸濁液に対する強度が不十分となってしまうおそれがある。
また、この実施形態のように、摩耗した場合にノズルチップ11aを交換できる構造としてあることが、迅速なメンテナンスを行うことができるので好ましい。
そして、第１実施形態に係る製紙原料処理装置１の場合と、第２実施形態に係る製紙原料処理装置20の場合のいずれも、図６〜図９に示すように、第１ポンプ５の吐出側の入口配管5aが、前記周辺部ノズル管2gと周壁ノズル管2iとに接続されており、それぞれの管路には開閉弁31、32a、32b、32c、32dが設けられて、第１ポンプ５の吐出側との接続状態を選択できるようにしてある。また、第２ポンプ６の吐出側は、前記中央部ノズル管2fに接続させてある。
以上により構成されたこの発明の実施形態に係る製紙原料処理装置の作用を、以下に説明する。
図６〜図９は、処理ユニット２に対する懸濁液の供給系統を示すものである。図６及び図７は、懸濁液のみを処理ユニット２に噴射する場合を示しており、高圧ポンプである第１ポンプ５により懸濁液を噴射する。このとき、第２ポンプ６からは処理ユニット２内への噴射は行われない。
図６に示す場合には、処理ユニット２へは、前記ノズル付短管2iのうちの処理ユニット２の上流側にあるノズル付短管2cに設けられている周壁ノズル管2iから噴射させるようにしたものである。これらの周壁ノズル管2iは軸Ｏに対して傾けて配されているから、噴射された懸濁液は処理ユニット２の内部で衝突することになる。
また、図７に示す場合には、処理ユニット２へは、前記周辺部ノズル管2gから噴射させるようにしたものである。これら周辺部ノズル管2gは軸Ｏと平行な方向に噴射するようにしてあるから、噴射された懸濁液は処理ユニット２の内部を軸Ｏに沿って流れることになる。
図８に示す場合には、複数の周壁ノズル管2iと第１ポンプ５とを接続させた状態とし、中央部ノズル管2fと第２ポンプ６とを接続させた状態とし、第２ポンプ６から懸濁液を吐出させ、第１ポンプ５から噴射液体を吐出させる。この場合には、中央部ノズル管2fから軸Ｏ方向に噴射された懸濁液に対して、周壁ノズル管2iから噴射された噴射液体が交差して衝突することになる。
また、図９に示す場合には、前記中央部ノズル管2fと第２ポンプ６とを接続させた状態とし、周辺部ノズル管2gと第１ポンプ５とを接続させた状態として、第１ポンプ５から噴射液体を、第２ポンプ６から懸濁液をそれぞれ吐出させて、中央部ノズル管2fから懸濁液を、周辺部ノズル管2gから噴射液体を、いずれも軸Ｏに沿った方向へ噴射させるものである。
図６及び図７に示す管路を形成させる場合であって、バッチ処理を行う場合、第２実施形態に係る製紙原料処理装置20では、前記開閉弁23aを閉成して分岐管23を閉塞して処理ユニット２と第２タンク４との間を遮断する。他方、開閉弁3cを閉成すると共に、開閉弁21dを開放する。これにより、第２タンク４と第１ポンプ５とが接続される。また、前記開閉弁9bを閉成して後工程への配管９を遮断する。そして、図６に示す場合には、開閉弁31を閉成して周辺部ノズル管2gと第１ポンプ５との間を遮断し、開閉弁32b、32c、32dを閉成し、開閉弁32aを開放して、上流側の周壁ノズル管2iと第１ポンプ５との間のみを連通させる。また、図７に示す場合には、開閉弁32a、32b、32c、32dを閉成して周壁ノズル管2iと第１ポンプ５との間を遮断し、開閉弁31を開放して第１ポンプ５と周辺部ノズル管2gとの間を連通させる。したがって、第２タンク４に貯留されている懸濁液は、第２ポンプ６から第１ポンプ５に給送され、この第１ポンプ５から処理ユニット２内に噴射される。この第１ポンプ５には高圧ポンプが用いられているから、処理ユニット２内に噴射された懸濁液はキャビテーションを発生し、そのキャビテーション気泡の崩壊によって製紙原料の処理が行われる。
処理ユニット２を通過して処理が施された懸濁液は、出口配管８を通って第２タンク４に返還される。したがって、第２タンク４に貯留された懸濁液は、この第２タンク４と処理ユニット２との間を循環し、処理ユニット２を通過する毎に処理が施される。そして、懸濁液が適宜に改質されたならば、前記開閉弁9bを開放し、開閉弁8dを閉成して、配管９から処理済み液を後工程に供給する。
図６及び図７に示す管路を形成させる場合であって、連続処理を行う場合、第２実施形態に係る製紙原料処理装置20では、前述したバッチ処理を行う場合に閉成した開閉弁3cを開放して、配管3aから懸濁液を供給する。また、開閉弁9bを開放して、処理済み液が後工程に供給される状態とする。配管3aから第１ポンプ５に給送される懸濁液には、第２タンク４に貯留されている懸濁液が配管21を通って配管3aを給送される懸濁液と混合して第１ポンプ５に給送され、処理ユニット２に噴射される。処理ユニット２内でキャビテーションが発生して改質処理が施され、処理済み液は出口配管８と通って一部は配管９から後工程に供給され、残部は第２タンク４に返還される。したがって、後工程に供給される処理済み液の量とほぼ等しい量の懸濁液が配管3aから供給することになる。
図６及び図７に示す管路を形成させる場合であって、バッチ処理を行う場合、第１実施形態に係る製紙原料処理装置１では、前記開閉弁7aを開放して第１タンク３と第２タンク４を連通させる。前記開閉弁3cを閉成して外部からの懸濁液の供給を遮断する。前記開閉弁6fを閉成して、第２ポンプ６から処理ユニット２への配管6aを遮断する。また、開閉弁6cを開放して第２ポンプ６から吐出される懸濁液を第１タンク３に給送する。また、前記開閉弁9bと開閉弁10bを閉成して配管９と配管10をそれぞれ遮断し、後工程への供給を停止する。この状態で、第１タンク３と第２タンク４とが一つのタンクとして機能し、処理ユニット２との間で循環経路が形成された閉鎖系が構成される。したがって、第１ポンプ５を作動させると、第１タンク３から供給された懸濁液は処理ユニット２で改質処理を施された後、第２タンク４に返還されることになる。そして、適宜に改質処理が施された処理済み液を、前記開閉弁9bと開閉弁10bとを開放して後工程へ供給する。
また、図８及び図９に示す管路を形成させる場合であって、第２実施形態に係る製紙原料処理装置20の場合には、前記開閉弁3cを開放して配管3aから第１ポンプ５に噴射液体を供給する。また、前記開閉弁21dを閉成して、配管3aと第２タンク４との間を遮断すると共に、開閉弁23aを開放して第２ポンプ６の吐出側と処理ユニット２とを連通させる。そして、図８に示す場合には、開閉弁31を閉成して、開閉弁32a、32b、32c、32dを開放することにより第１ポンプ５の吐出側を周壁ノズル管2iに連通させる。これにより、第１ポンプ５と第２ポンプ６とを作動させると、第２タンク４内の懸濁液は第２ポンプ６によって処理ユニット２内に中心部ノズル管2fから噴射され、周壁ノズル管2iから噴射液体が処理ユニット２の軸Ｏに向かって噴射されて、噴射液体が懸濁液に衝突する状態となる。処理ユニット２を通って処理が施された処理済み液は出口配管８を通って一部は配管９から後工程に供給され、残部は第２タンク４に返還されることになる。他方、図９に示す場合には、開閉弁31を開放し、開閉弁32a、32b、32c、32dを閉成する。これにより、噴射液体は周辺部ノズル管2gから処理ユニット２に噴射されて、中央部ノズル管2fから噴射される懸濁液と共に、処理ユニット２内を軸Ｏに沿った噴流が生成される。そして、処理ユニット２内で処理が施された処理済み液は出口配管８を通って一部は配管９から後工程に供給され、残部は第２タンク４に返還されることになる。
また、図８及び図９に示す管路を形成させる場合であって、第１実施形態に係る製紙原料処理装置１の場合には、開閉弁7aと開閉弁6cとを閉成して第１タンク３と第２タンク４との間を遮断し、開閉弁6fを開放して第２ポンプ６と処理ユニット２とを連通させる。第１タンク３には、配管3aから噴射液体が供給される。この状態で、第１ポンプ５と第２ポンプ６とを作動させると、第１ポンプ５から処理ユニット２へ噴射液体が噴射され、第２ポンプ６から懸濁液が噴射される。処理ユニット２で改質処理された処理済み液は、出口配管８を通って一部は配管９及び配管10から後工程へ供給され、残部は第２タンク４へ返還される。なお、図８の場合には開閉弁31を閉成し、開閉弁32a、32b、32c、32dを開放し、図９の場合には開閉弁31を開放し、開閉弁32a、32b、32c、32dを閉成する。また、この場合には、噴射液体としては製紙原料を含む懸濁液を用いて、この製紙原料処理装置20に懸濁液を供給する。
そして、図７及び図８に示す方式によって、処理ユニット２の最大処理圧を７ＭPa、処理量を５m3／minとして、ノズルチップ11aの内径に２mmのものを用い、古紙パルプ懸濁液の改質処理を行ったところ、いずれの方式によってもキャビテーションを安定して制御して運転することができ、パルプ濃度が3.2％の懸濁液について処理することができた。また、再生パルプからのインキの剥離効果が確認され、インキが再付着する擦り込みがないこと、薬品添加を必要しないことが確認された。また、古紙に含まれた粘着物や異物の微細化については、その粒子の平均面積及び粒径の減少と一定量の原料あたりに含まれる個数及び総面積の減少を確認できた。さらに、その効果はバッチ処理を施す回数に応じて、より大きくなっていた。
ところで、前記第１ポンプ５に高圧ポンプが用いられているため、吸込口に配されている弁と弁座との密着する際には、密着状態が確保されなければならない。しかし、この第１ポンプ５にパルプを含む懸濁液を供給すると、パルプ繊維が弁を密着させる駆動用のコイルバネに付着し、絡み付いてしまうおそれがある。図10はこの種の高圧ポンプの吸込口に用いられている弁構造を示すもので、弁41と弁座42とがケーシング43に収容されている。この弁41と弁座42とが、吸込時には離隔し、吐出時には密着されるようにしてあり、密着状態を確保するためコイルバネからなる押圧バネ44が設けられている。この押圧バネ44にパルプ繊維が絡み付いてしまうと弁41と弁座42との密着状態を確保できなくなってしまうおそれがある。このため、前記押圧バネ44の線径をパルプ繊維よりも大きくしてパルプ繊維が押圧バネ44の線材の周面に沿って流れるようにして絡み付くことを防止する。好ましくは、処理対象となるパルプ繊維の長さの２倍以上長い外周を有する線材を押圧バネ44に用いる。あるいは、この押圧バネ44を取り除けば、繊維が絡み付く部分がなくなるので好ましい。さらに、弁41と弁座42のシールをできるだけ広くし、かつ弁41の径をできるだけ大きくすることにより、パルプ繊維が弁41と弁座42との間に挟まっても密着状態を確保することができる。
また、前記ノズル11でも、ノズルチップ11aの内径が小さいため、懸濁液中のパルプ繊維がノズルチップ11aに詰まってしまって閉塞してしまうおそれがあり、閉塞しているパルプ繊維をノズルチップ11aから除去する必要が生じる。そこで、パルプ繊維が詰まらない形状のノズルとすることが望まれる。
例えば、図11に示すように、一対の側壁51にノズル板52を掛け渡し、このノズル板52の間隔を可変とすることによりノズル50の開口面積を変更できると共に、パルプ繊維が詰 まった場合には一方のノズル板52を側壁51に対して移動させてパルプ繊維を除去するように する。また、図12(ａ)に示すように、前記ノズル板52に押圧バネ53により押圧力を付勢し、パルプ繊維が詰まった場合には、図12(ｂ)に示すように、内圧の上昇によって押圧バネ53の復元力に抗してノズル板52が離隔するようにすれば、パルプ繊維の除去作業を必要としないので、好ましい。また、図13に示すように、処理ユニット２の外形形状を断面矩形として、この処理ユニット２の入口側に対向する壁面にかけてノズル板52が掛け渡した構造とされている。したがって、複数個のノズルを連続して配した構造とほぼ等しい作用を果たさせることができる。また、図14に示すように、前記ノズル板52の前後に案内板53、54を設けて、懸濁液や噴射液体が円滑にノズルを通過できるようにすることも好ましい。さらに、図15に示すように、一対のノズル板55の繊維が通過する部分を平行面に形成しその前後を適宜な曲面で形成して、懸濁液や噴射液の円滑な通過を図るようにすることもできる。なお、ノズル板52間の間隙は、0.3mm〜10mm、好ましくは0.8mm〜５mmとすることが好ましく、0.3mm以下ではパルプ繊維が詰まりやすくなり、他方10mm以上とすると圧力を維持するためにポンプが大型化してしまう。また、繊維が通過する部分の対向面の平行とした部分は、この間隙の３倍程度の寸法とすることが好ましい。
次に、模式的に示す図1 6〜図19を参照して、この製紙原料処理装置についての処理圧力の調整について説明する。なお、前述した図１に示した実施形態に係る部分と同一の部分については同じ符号を用いて説明する。
図16は第１ポンプ５の吐出圧力を調整する吐出圧力調整手段60を備えている構造を示しており、第１ポンプ５の吐出側には懸濁液または噴射液体を噴射してキャビテーション気泡を発生させるためのノズル61が接続されている。なお、このノズル61は、前述した図６〜図９に基づいて説明したノズル管2f、2g、2iのいずれかに設けられているもので、前述したように、噴射すべき液体が懸濁液であるか噴射液体であるかに応じ、あるいはいずれの位置から噴射するかによって選択される。第１ポンプ５の吐出側の入口配管5aには、吐出圧力を検出する圧力検出器62が配されている。また、入口配管5aの途中に分岐させて戻り管63が接続され、この戻り管63が第１ポンプ５の吸込側の入口配管3hに接続されており、この戻り管63の途中に調節弁64が設けられている。すなわち、この戻り管63によって第１ポンプ５から吐出される液体を吸込側に戻すことができ、調節弁64の開度によって戻り量が調整され、第１ポンプ５の吐出圧力をほぼ一定に保つことができる。また、前記調節弁64の開閉動作を、前記圧力検出器62の検出圧力に応じて行うようにしてある。なお、圧力検出器62の検出圧力を確認しながら作業者が調節弁64の開閉操作を行うようにしても構わない。
図17は処理ユニット２の出口圧力制御手段70を備えている構造を示しており、図16に示す吐出圧力調整手段60を併せて備えている。処理ユニット２は気密性が保たれた状態とされており、この処理ユニット２には内部圧力を検出する内部圧力検出器71が設けられており、処理ユニット２の出口配管８に設けられた調節弁72の開度が、この内部圧力検出器71の検出圧力に応じて開閉されるようにしてある。すなわち、調節弁72の開度によって処理ユニット２からの排出量が調整されて、処理ユニット２の内部圧力がほぼ一定に保たれるようにしてある。なお、内部圧力検出器71の検出圧力を確認しながら作業者が調節弁72の開閉操作を行うようにしても構わない。また、処理ユニット２の内部圧力の変動を小さくできるように、整流板73を設けることも好ましい。
また、図18に示すように、処理ユニット２にはノズル61のように液体を噴射させることなく供給するための供給口81、82を配設することもできる。なお、図18において、前述した図16、図17に示す部分と同一の部分については同一の符号を付してある。この処理ユニット２には、前記供給口81、82を介して外部から液体を供給するものである。この供給口81、82は複数箇所に設けることもでき、それぞれの供給口81、82から異なる種類の液体を供給することもできる。
さらに、図19はノズル61以外に処理ユニット２に液体を供給する供給口91を設けたものである。なお、前述した図16、図17に示す部分と同一の部分については同一の符号を付してある。前記第１ポンプ５から低濃度の懸濁液が吐出圧力調整手段60によって吐出圧力が一定とされて吐出され、処理ユニット２にノズル61から噴射される。また、供給口91からは高濃度の懸濁液が供給されて改質処理に供される。供給口91に接続された供給管92には懸濁液を追加するための追加供給管92aと分離後の製紙原料を後工程に供給するための給送管92bとが接続されている。さらに、前記出口配管８には分離前の製紙原料を取り出す、前記採取口8cが配されている。なお、改質処理が行われた懸濁液から製紙原料を分離するためには、クリーナやＦ／Ｔ（フローテーター：Flotator）を用い、さらに処理ユニット２内にＦ／Ｔを設けて、改質処理が行われた懸濁液から原料を処理ユニット２から排出させるようにすることもできる。
以上に説明した実施形態では、単一の系列として説明したが、この製紙原料処理装置を実装する場合には、複数の系列を並設して改質処理を行わせることが、処理量の増減に迅速に対応することができるので好ましい。
この発明に係る製紙原料処理装置によれば、製紙工程の改質処理工程を簡略化することができると共に、繊維の損傷が少ないため、抄紙工程に長繊維のパルプを提供できる。従って、古紙の再利用の促進を図り、有効利用によって省資源に寄与することができる。
この発明の第１の実施形態に係る製紙原料処理装置の構成を示す図で、懸濁液と噴射液体とを噴射させて処理する場合に適したものである。 この発明に係る処理ユニットの側面図である。 処理ユニットを構成するノズル付短管の側面図である。 図３に示すノズル付短管の正面図である。 ノズルの構造を示す分解断面図である。 処理ユニットに懸濁液のみを噴射させて改質処理を施す場合の状態を説明する図である。 処理ユニットに懸濁液のみを噴射させて改質処理を施す場合の他の状態を説明する図である。 処理ユニットに懸濁液と噴射液体とを噴射させて改質処理を施す場合の状態を説明する図である。 処理ユニットに懸濁液と噴射液体とを噴射させて改質処理を施す場合の他の状態を説明する図である。 この発明に係る高圧ポンプの吸込側の弁構造を説明する図である。 この発明の処理ユニットに装着されるノズルの形態を示す図である。 この発明に係る処理ユニットに装着されるノズルの他の形態を示す図である。 この発明に係る処理ユニットに装着されるノズルの別の形態を示す図である。 この発明に係る処理ユニットに装着されるノズルのさらに別の形態を示す図である。 この発明に係る処理ユニットに装着されるノズルのまた別の形態を示す図である。 この発明に係る製紙原料処理装置の圧力調整の態様を模式的に説明する図で、ポンプ周りを示してある。 この発明に係る製紙原料処理装置の圧力調整の態様を模式的に説明する図で、ポンプと処理ユニット周りを示してある。 この発明に係る製紙原料処理装置の圧力調整の態様を模式的に説明する図で、ポンプ回と処理ユニット周りを示し、処理ユニットへの複数の供給経路を併せて示してある。 この発明に係る製紙原料処理装置の圧力調整の態様を模式的に説明する図で、ポンプ回と処理ユニット周りを示し、処理ユニットへの供給経路と改質処理された製紙原料の供給経路とを併せて示してある。
符号の説明
１ 製紙原料処理装置
２ 処理ユニット
2c ノズル付短管（噴射口付短管）
2f 中央部ノズル管（中央部噴射管）
2g 周辺部ノズル管（周辺部噴射管）
2i 周壁ノズル管（周壁噴射管）
３ 第１タンク（供給タンク）
４ 第２タンク（供給タンク）
５ 第１ポンプ
６ 第２ポンプ
11 ノズル（噴射口）
11a ノズルチップ
20 製紙原料処理装置
31 開閉弁
32a〜32d 開閉弁
60 吐出圧力調整手段
62 圧力検出器
63 戻り管
64 調節弁
70 出口圧力制御手段
71 内部圧力検出器
72 調節弁

Claims (10)

  1. キャビテーションにより発生したキャビテーション気泡を懸濁液中の製紙原料に接触させ、キャビテーション気泡の崩壊時の衝撃波によりこの製紙原料を処理する製紙原料処理装置において、
    前記製紙原料を含む懸濁液を供給して、キャビテーションを発生させる処理ユニットと、
    噴射液体を貯留する第１供給タンクと、
    前記懸濁液を貯留する第２供給タンクと、
    前記第１供給タンクに吸込側を、前記処理ユニットに吐出側を連通させて、前記処理ユニットの内部に前記噴射液体を噴射させるための圧力を発生させる高圧ポンプであって、該高圧ポンプの吸込口に配された弁を弁座に密着させるコイルバネによる押圧バネの線材の外周の長さをパルプ繊維の長さの２倍以上の長さとした第１ポンプと、
    前記第１ポンプに連通して、前記噴射液体を噴射させて噴流による前記キャビテーション気泡を発生させる噴射口と、
    前記第２供給タンクに吸込側を、前記処理ユニットに吐出側を連通させた第２ポンプと、
    前記第２供給タンクと工程原料の受け入れ配管とを連通させ、前記処理ユニットを通過した処理済み液の次工程への供給管を前記受け入れ配管に接続させ、
    前記第１ポンプから前記噴射口を経由して噴射液体を処理ユニットに噴射させると共に、前記第２ポンプから懸濁液を処理ユニットに供給して処理ユニット内部で発生したキャビテーション気泡と接触させ、処理ユニット内で処理された製紙原料を後工程へ供給、または前記第２供給タンクへ返還することを特徴とする製紙原料処理装置。
  2. 前記第１ポンプの吐出側において噴出される前記懸濁液の圧力を検出し、その検出値に基づいてポンプ吐出圧を制御する吐出圧力調整手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の製紙原料処理装置。
  3. 前記処理ユニットを密閉し、この処理ユニットの出口圧力を検出し、その検出値に基づいて処理ユニット内の圧力を制御する出口圧力制御手段を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の製紙原料処理装置。
  4. 前記第１ポンプに吐出圧力が0.5MPa以上である高圧ポンプを、前記第２ポンプに定容ポンプをそれぞれ用いたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の製紙原料処理装置。
  5. 前記処理ユニットに懸濁液を噴射する複数の噴射口を備え、これら噴射口からの噴射方向を、処理ユニットの軸方向に対して、噴流が処理ユニットの下流側を指向した方向となる状態に傾けてあることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の製紙原料処理装置。
  6. 前記処理ユニットに懸濁液を噴射する複数の噴射口を備え、これら噴射口からの噴射方向を、処理ユニットの軸方向とほぼ平行な方向を指向させてあることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の製紙原料処理装置。
  7. 前記処理ユニットに、この処理ユニットの軸方向とほぼ平行な方向を指向させてある複数の平行噴射口と、上流から下流に向かう方向に対して、噴流が処理ユニットの中央を指向した方向となる状態に傾けた複数の傾斜噴射口とを備えていることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかに記載の製紙原料処理装置。
  8. 前記平行噴射口を処理ユニットの上流側の壁体に設け、前記傾斜噴射口を処理ユニットの側壁に噴流の流れ方向に適宜間隔で設けたことを特徴とする請求項７に記載の製紙原料処理装置。
  9. 前記平行噴射口から前記懸濁液を噴射させ、前記傾斜噴射口から前記噴射液体を噴射させることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の製紙原料処理装置。
  10. 前記処理ユニットに、この処理ユニットの軸方向とほぼ平行な方向を指向させてある複数の平行噴射口を設け、これら平行噴射口の内の適宜な噴射口から前記懸濁液を噴射させ、他の噴射口から噴射液体を噴射させることを特徴とする請求項４に記載の製紙原料処理装置。
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