机械毕业设计（论文）-生物制浆造纸工厂设备设计[5万吨]【全套图纸】

吉吉林林化化工工学学院院 本本科科 毕毕业业设设计计说说明明书书 生物制浆造纸工厂设备设计 Biological pulping and papermaking factory equipment design 性性 质质: : 毕毕业业设设计计 毕毕业业论论文文 教 学 院： 机电工程学院 系 别： 机械设计制造及其自动化 系 学生学号： 学生姓名： 专业班级：机自0905 指导教师： 职 称： 起止日期：2013.3.42013.6.18 吉 林 化 工 学 院 Jilin Institute of Chemical Technology 吉林化工学院本科毕业设计说明书 - I - 摘 要 本设计是年产量5 万吨的生物制浆造纸工厂设备设计，重点是制浆设备平衡计算及 选型，车间布置设计 与绘制车间布置图。 我国是个草多木少的国家 ，农业资源十分丰富而 且廉价，故选择稻草、麦草、玉米秸秆等作为制浆造纸的原料。 本设计主要选择玉米秸秆 作为制浆造纸的原料，玉米秸秆不但资源丰富而且价格便宜，因此成本较木浆造纸要低， 同时，是一种变废为宝的好方法，也是一种 治理环境污染的好途径。 在生物制浆方面，它是以生物分解为主，配合各种物理破解与机械破解交叉组合的 复合工艺1。采用湿法备料技术，可以提高制浆质量和改善碱回收的运行性能； 连续式蒸 煮技术，可以提高生产能力，降低能源消耗， 蒸煮均匀；连续打浆设备、真空洗浆机、压 力筛选设备，简化打浆、洗浆、筛选选流程；氧脱木素和过氧化氢漂白等等，可以改善漂 白草浆的强度、白度、尘埃度，使漂白草浆达到 比木浆造纸更好的效果。蒸煮采用碱法制 浆，连续蒸煮。其优点是脱木素速率快，蒸煮时间较短，制浆强度较高。洗涤采用三段 真空洗浆机，筛选采用两段压力筛，三段锥形除渣器。 本设计的主要内容包括制浆 设备的平衡计算与设备选型、车间设备布置设计和各辅助 专业的设计，并绘制生产流程图、车间平面布置图以及立面图 ，并为配套专业提供设计要 求和相关资料。 关关键键词词：生物制浆；玉米秸秆；设备 选型；漂白设备；车间布置 全全套套图图纸纸，加加153893706 张磊：生物制浆造纸工厂设备设计 - II - Abstract This design is the design of biological pulping and papermaking factory equipment with an annual output of 50000 tons, the focus is to balance the calculation and selection of pulping equipment, plant layout design and drawing of workshop layout. Our country is a grass wood and less of the country, very rich in agricultural resources and cheap, the choice of rice straw, wheat straw, corn straw as the raw material for pulping and papermaking. The design of the main choice of corn straw as pulp and paper raw materials, corn straw is rich in resources and the price is cheap, so the cost is lower than wood pulp paper, at the same time, is a good method of turning waste into treasure, but also a good way to treat the pollution of the environment. In biological pulping, it is biodegradable, and complex process cross combination of various physical and mechanical crack crack. The wet feed preparation technology, can improve the quality and improve pulping alkali recovery operation performance; continuous cooking technology, can improve the production capacity, reduce energy consumption, even cooking; continuous vacuum refining equipment, washing machine, pressure pulp screening equipment, pulping, pulp washing, screening of simplified process; oxygen off this meat and hydrogen peroxide bleaching and so on, can improve the bleaching straw pulp strength, whiteness, brightness, bleaching straw pulp papermaking to achieve better results than. Cooking using alkaline pulping, continuous cooking. The utility model has the advantages of delignification rate, cooking time is short, the pulp high strength. Washing with three vacuum washer, screening using two pressure screen, three sections of centricleaner. The main content of this design includes pulping equipment balance calculation and equipment selection, design workshop equipment and the professional design, and production flow chart, workshop layout and elevation drawing, and provides the design requirements and relevant information for supporting professional. Keywords: biological pulping;corn straw;equipment selection; bleaching equipment; workshop layout 吉林化工学院本科毕业设计说明书 - III - 目 录 摘 要I AbstractII 第1 章 绪论1 1.1 生物制浆1 1.1.1 生物制浆相关技术简介1 1.1.2 生物制浆概况2 1.1.3 生物制浆应用现状3 1.1.4 生物制浆在造纸行业的发展趋势 3 1.2 玉米秸皮在制浆中的应用4 1.2.1 玉米秸皮的纤维特性4 1.2.2 玉米秸秆用于造纸工业4 1.3 我国制浆造纸行业发展现状5 1.4 本设计研究的内容指导思想与意义6 1.4.1 本设计研究的主要内容6 1.4.2 设计指导思想6 1.4.3 本课题设计的意义6 第2 章 生产流程及生产方案的确定8 2.1 原料备料及要求8 2.2 蒸煮方法说明8 2.2.1 蒸煮方式的选择8 2.2.2 蒸煮设备的选择8 2.3 生产流程说明9 2.3.1 备料工段9 2.3.2 洗选工段流程9 2.3.3 漂白工段说明9 2.4 生物漂白9 2.4 碱处理10 2.6 能源的合理利用10 第3 章 工艺平衡简介11 第4 章 设备平衡计算及选型12 4.1 设备台数的确定12 张磊：生物制浆造纸工厂设备设计 - IV - 4.1.1 带式输送机12 4.1.2 切草机13 4.2 专业设备生产能力的计算14 4.2.1 蒸煮段14 4.2.2 筛选设备18 4.2.3 洗浆设备20 4.2.4 盘磨机23 4.2.5 漂白设备23 4.3 浆池有关计算28 4.3.1 损浆池28 4.3.2 成浆池28 4.3.3 白水池28 4.3.4 浆渣槽29 第5 章 车间布置设计30 5.1 车间布置设计的目的和重要性 30 5.2 车间布置的主要任务30 5.3 车间布置设计必需的资料30 5.4 车间工艺设备布置图纸30 5.5 车间布置图的作用31 5.6 车间布置设计的要求与原则31 5.6.1 车间布置设计的要求31 5.6.2 车间布置设计的原则31 5.7 生产设备布置设计的步骤与注意事项 32 5.7.1 生产设备布置设计的步骤32 5.7.2 注意事项33 5.8 车间尺寸的确定33 5.8.1 尺寸确定的原则33 5.8.2 尺寸确定34 第6 章 各辅助专业的设计36 6.1 车间供水、电、汽状况36 6.1.1 供水状况36 6.1.2 供电情况36 吉林化工学院本科毕业设计说明书 - V - 6.1.3 供汽情况36 6.2 仪表控制室位置的选择36 6.3 采光说明36 6.4 通风要求37 6.4.1 备料工段37 6.4.2 蒸煮工段37 6.4.3 洗涤工段37 6.4.4 漂白工段37 6.4.5 造纸车间38 第7 章 节约能源与安全措施39 7.1 节约能源及措施39 7.2 安全防火措施39 结 论40 参考文献41 致 谢43 吉林化工学院本科毕业设计说明书 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 生物制浆 生物制浆是项学科的组合生产工艺技术，它是以生物分解为主，配合各种物理破 解与机械破解交叉组合的复合工艺，真正的实现在全世界造纸行业梦寐以求的零排放、 无污染、无臭味、无悬浮物、节水、节电、节煤、节省原材料、降低生产成本的愿望。 这是一种洁净纸浆生产线，生产用水全部封闭循环使用，它彻底的改变了全世界已应 用几百年排出废液的化学制浆法。所以，以生物制浆为主、物理破解为辅的革命性创 新制浆技术是一种清洁制浆、环保制浆工艺 1。 目前，全世界造纸均采用化学制浆法。化学制浆法排出的污水中含有大量的 COD、BOD、SS 等有害物。虽然近百年来从事对污水制理的研究，但都不能实现 “零” 污染。生物制浆法，一改化学制浆的方法，利用麦草、 龙须草等植物纤维，采用生物 分解废水实现“零”排放，成功地解决了这项全世界许多科学家自从 1908 年至今仍没 有解决的人类社会第二大工业污染难题。 采用生物制浆新工艺制备的纸浆，纤维长、得浆率高、耐折性强 ，且每吨生物纸 浆成本大大低于化学纸浆成本。 1.1.1 生物制浆相关技术简介 生物制浆国内外至今难以工业化生产，主要是因为所用生物菌繁殖时的环境条件 难以控制，容易被杂菌感染而达不到生物降解的目的。而张健教授和北京前导植物纤 维制品研究所科研人员经多年研究，采用FYR6 软腐菌进行诱变提纯，使得菌种具有 强大降解木素的能力，结合机械方法经上万次试验终于突破生物制浆产业化的难题。 同时，还解决了用生物菌对纸浆进行漂白的难题 1。 1）生物分解（FYR6 软腐菌）与机械加工结合的纸浆生产工艺技术 该菌是FYR6 软腐菌用来降解木素，该软腐菌为专利发明人张健教授培养的第七 代菌种，具有极强的分解木素能力且只分解木素不分解纤维，可在 48 小时内迅速繁殖， 使降解池内FYR6 软腐菌比例占90%，杂菌只占10%，72 小时内原料木素降解80%以 后利用疏解机对原料疏解，使之帚化进一步降解木素，经除渣与筛浆后达到本色浆。 2）生物漂白及漂白用水零排放的纸浆漂白生产工艺技术 生物漂白及漂白用水零排放的纸浆漂白生产工艺技术，利用木素过氧化物酶进行 漂白取得了良好的效果，可使纸浆白度达到83%以上2。该工艺创新点是可以冷漂，一 般用木素过氧化物酶漂白时，温度需要控制在4555 度之间，而冷漂白只需控制在 张磊：生物制浆造纸工厂设备设计 - 2 - 1619 度既可完成，节省了大量的加热能源。该项专利的另一个创新点为漂液可以利 用FYR6 软腐菌处理重新返回木素降解池内循环使用，从而达到零排放无污染的目的。 该项目生产工艺、技术内容与传统化学制浆和生物试验室制浆方法有许多不同 之处。生 物制浆较化学制浆法大大节省能源 。本项目采用厌氧菌，需要阳光，可以冷漂白，水 循环利用，零排放。 1.1.2 生物制浆概况 生物技术在制浆造纸工艺上的应用在 20 世纪 90 年代发展较快。对环境保护及 降低能耗的日益关注，更促进了生物技术在制浆造纸工业上的应用 6。目前应用于制浆 造纸工业的生物技术主要有基因重组改良造纸原料、生物制浆、生物漂白、废纸生物 脱墨、废液生物处理、酶处理和改善浆料性能树脂生物控制等，有些研究成果已用于 工业生产。 生物制浆法是应用“生物分解（HYH7 黑腐菌）与机械加工结合的纸浆生产工艺 技术、生物漂白及漂白用水零排放的纸浆漂白生产工艺技术、生物分解（ FYR6 软腐菌） 与机械加工结合的纸浆生产工艺技术、生物分解（ LYH9 褐腐菌）与机械加工结合的纸 浆生产工艺技术、生物分解（ ZYB5 厌氧白腐菌）与机械加工结合的纸浆生产工艺技术 ” 的专利技术，可实现零排放，整个制浆工艺过程中的水是循环使用，不存在 COD、BOD 和悬浮物SS，因为在生物分解过程中，真菌把植物秸秆中纸浆不用的木 素、淀粉、果胶、果糖等物质分解生成H2O 和CO2，H2O 和CO2又生成碳酸，碳酸进 一步软化植物木素利于真菌分解木素，没有废物排出 27。没有一滴废水排放 ，制浆水循 环使用。这就是彻底解决了世界造纸行业的污染大难题，这是对人类社会的一大贡献。 不仅如此，生物制浆法还是个节能大项目，与传统化学制浆法相比较，节电 66%，节煤100%，节水99.8%，节省原料植物资源50%以上。所以，生物纸浆的生产 成本仅是化学纸浆的50%。 由于生物制浆法中的真菌不伤害植物纤维，因此用生物制浆法生产出的麦草浆经 “国家纸张质量监督检验中心检测 ”结果证明，其各项物理性能指标均达到和超过国 家规定的各种纸张标准，这就说明草浆可以替代木浆，我国具有十分丰富的稻麦草资 源，普及应用生物制浆法可以节省大量进口木浆的外汇。 综上所述，这种无污染零排放的生产工艺技术无疑是项国际领先专利技术，符合 国家的各项政策导向： 1）环保项目：消除造纸行业污染，净化国土、造福于子孙后代。 2）节能项目：节省大量水、电、煤。 3）扶贫项目：增加全国各地农民收入、变废为宝，过去很多地区的农民将稻麦 吉林化工学院本科毕业设计说明书 - 3 - 草烧掉、污染环境。 4）替代进口节省外汇项目，纸浆进口花费大量国家外汇，生物制浆提高纸浆质 量，可用草浆代替进口木浆。 5）可实现农业可持续发展：草类资源是循环再生永久性持续资源，稻草、麦草、 芦苇、甘蔗渣、玉米秸 秆、龙须草、竹子、速生林等各种植物都是生物制浆的原料。 6）增加各乡、镇、地、市的财政税收。 1.1.3 生物制浆应用现状 我国是个草多木少的国家 ，农业资源十分丰富而且廉价，以草为原材料，采用传统 化学制浆技术，生产排污十分严重，而且化学原料破坏了草的纤维 ，不但出成率低，而 且降低了草浆与成品纸的质量 ，目前草浆只能生产箱板纸、瓦楞纸、瓦面纸、草纸、 纸档书写纸、祭祀用纸等低档产品，采用全新的生物制浆新技术，不会破坏原料植物 纤维，可以生产出新闻纸、印刷书写纸、高档包装纸等纸的高端产品。可实现草浆代 替木浆的理想效果。 市场对纸与纸板需求量的不断增加，带动对纸浆的巨大需求。目前我国纸浆年消 耗量在7000 多万吨，纸浆基本需要从国外进口，纸浆市场供不应求，前景十分可观。 采用生制浆新技术生产的草浆成本低、质量好且生产过程无任何污染物的产生，可以 部分代替木浆，缓解我国木浆进口的压力。 全世界目前普遍采用的是传统的化学制浆法，因此巨大的市场消费带来的是大量 的能源消耗和环境污染。尽管发达国家工艺技术先进，每吨纸浆的排放污水控制在 30 吨，COD 排放量控制在3050 公斤。 生物制浆技术，生产成本低，生产过程的水循 环使用，不排出任何污染物，且不破坏植物纤维，生产出的纸浆产品不含任何有毒害 的化学剂，是完全绿色环保纸浆，在国际市场上具有极大的竞争优势，可普遍应用于 卫生标准要求高的食品包装纸、高级日用卫生纸、餐巾纸、香烟添加料等高附加值的 纸制品中。 1.1.4 生物制浆在造纸行业的发展趋势 生物技术用于造纸工业具有诱人的发展前景，随着人们对生物技术研究的进一步 深入拓展，生物技术在造纸中的应用变得越来越广泛 2。当前，造纸业普遍面临着原料 短缺、能源供应紧张以及污染严重等问题。生物技术作为一种近年来发展起来的新技 术，在造纸中的很多领域已充分显示它的广泛用途，成为推动造纸工业向前发展的有 效方法之一。在造纸中用到的生物酶的种类主要有纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶、 木聚糖酶、木素降解酶、脂肪酶等 10。这些生物酶在造纸中都有着重要的用途 ，在生物 制浆、解决树脂障碍、改善纤维性能 、生物漂白、废水处理等方面发挥着重大的作用。 张磊：生物制浆造纸工厂设备设计 - 4 - 生物技术给现代制浆造纸工业带来了良好的发展机遇，它的应用为纸浆造纸工业解决 了 许多难题6。因此生物技术在造纸行业中有着广阔的发展前景。 1.2 玉米秸皮在制浆中的应用 玉米具有适应性强、产量高和品质好的特点。它的主要用途有食用、饲料用和作 为化工产品原料（如：玉米淀粉、糠醛、木糖等）用。在 20 世纪90 代中期，化石燃料 供给的紧张、全球气候变化、农业残留物综合利用等问题重新激起了利用农业残留物 生产生物基燃料的研究。玉米秸秆就成为了重要的乙醇生产原料。玉米秸秆还用于中 等密度的纤维板和碎料板的生产。农业残留物如麦草、玉米秸秆用于造纸行业生产的 纸浆强度较木材浆低，但具有较高的平滑度，它们总是与长纤维纸浆混合使用，当农 业残留物所制得的纸浆达到混合浆的30%时，并没有对纸张性质产生重大的影响。随 着农业残留物从种植地移除用于其他行业，也使得科学家认识到不加选择地移除农业 残留物会对土壤有机碳、农业生产力和环境质量带来不利的反应，进而影响到物质的 地球化学循环。因此，在提高玉米秸秆综合利用时，也要注意到玉米秸秆利用的环境 可持续性4-7。在我国，目前玉米的种植面积和产量仅次于水稻居第二位。玉米生产中 会产生大量的玉米秸秆，由于玉米秸秆收集、整理和运输成本高、人们对玉米秸秆的 综合利用认识不足造成玉米秸秆综合利用的程度低。 1.2.1 玉米秸皮的纤维特性 玉米秸秆分为位于外部的秸皮和内部的秸穰 3,5。秸皮部分由位于玉米秸秆外侧的 表皮细胞和皮下的纤维层构成，维管束在靠近表皮的部分中密集分布。内部的秸穰部 分主要由薄壁细胞组成，同时维管束稀疏的分布其中。维管束由外围的纤维和中央的 导管、筛管和伴胞组成。玉米秸秆的秸皮和秸穰的组成，如表 11 所示5。可知玉米 秸皮的纤维素含量较秸穰部分高，因此玉米秸皮更适合于作为造纸原料，可以认为玉 米秸皮能够作为造纸用纤维原料。 表 11 玉米秸皮和秸穰化学组成 水分/%灰分/% 苯醇抽出 物/% Klason 木 素 /% 酸溶木素 /% 硝酸乙醇纤 维素/% 聚戊糖/% 玉米秸皮9.53.226.2214.672.237.6223.58 玉米秸穰9.093.49.069.862.4729.1734.06 吉林化工学院本科毕业设计说明书 - 5 - 1.2.2 玉米秸秆用于造纸工业 我国的造纸业是以非木材纤维原料为主的 “草浆工业”。 由于全玉米秸秆中淀粉 和粗蛋白含量高于稻草、麦秸、芦苇，致使制浆工艺性差 3-6。经过分离后，玉米秸秆 皮的纤维含量为44.6%，比其它草类都高，这对于提高纸浆率和纸的强度是十分重要 的； 其半纤维含量为20.58%，比较利于纸浆的吸水，易于打浆；木质素含量为 16.58%，便 于蒸煮漂白；灰分含量低为2.97%，利于生产高质量的纸张。由表12 的化学成分看， 作为造纸原料，玉米秸秆皮优于稻草、麦稻，与芦苇相近。 表12 一年生植物与木材的化学成分表（溶液抽出物） 单位：% 品种水份灰份冷水热水有机物碱聚戊糖木质素纤维素 玉米秸秆9.602.979.3923.895.5350.1620.5616.5844.69 稻草9.8715.56.8528.500.6947.7118.0614.0536.20 麦秸10.656.055.3623.150.5144.5622.5622.3440.40 芦苇14.132.962.1210.690.1435.5122.1625.4043.55 杨木11.310.321.383.460.2315.6122.1617.1043.24 从经济效益上看，生产1t 纸需要木材35m3,单价400 元/m3,需要玉米秸皮2.5t， 价格300400 元/t，用木材生产纸浆每吨成本为12002000 元，用玉米秸秆皮生产纸 浆每吨成本为8001000 元，从而降低50%的纸浆成本，增加了企业利润，这为造纸 工业原料开辟了一条新路 7。 玉米秸秆应用于造纸工业可以缓和我国造纸原料短缺的严竣形势，为绝大部分作 为废弃物的秸秆资源找到了新的利用途径，减少了浪费，且利于环保 8。秸穰改性处理 后应用到造纸领域中更是提升了玉米秸秆作为造纸原料的价值，加入到纸浆中，可以 对浆性能加以改善，且加入量较大，可以替代部分浆纤维 21,22。玉米秸秆若大规模应用 于我国造纸工业中，还会对我国农业种植布局、农民收入等产生积极影响 9。总之，玉 米秸秆应用于造纸工业无论对于造纸工业本身还是对于农业的发展都具有重要意义。 1.3 我国制浆造纸行业发展现状 中国已成为世界造纸产品的主要生产国和消费国，同时，产品自给率达 88.7%。目 前我国纸及纸板生产商约有9937 家，在积极的宏观政策调控下， 2011 年是制浆造纸行 业产业升级、行业整合的一年，行业集中度进一步提高，中小型造纸企业面临更大危 机。国内纸及纸板产量集中度较高，山东、浙江、广东、江苏、河南位居全国产量前 张磊：生物制浆造纸工厂设备设计 - 6 - 五位，其中山东省占18%，浙江16%，河南10%，河北6%，福建4%，湖南3%，其他 地区16%，五省占全国总产量71%。我国造纸工业集中分布在黄淮平原、长江中下游、 东南沿海，其中黄淮平原地区是我国造纸工业最集中的地区，主要原因得益于这些地 区 丰富的水资源。 随着造纸工业的快速发展及国家对造纸工业技术装备引进和技术改造投资的重视， 造纸工业装备企业的规模、技术进步、产品水平、制造能力等都产生了明显的变化 26， 较大程度地缩小了与国际先进造纸装备之间的差距，其中部分适合我国国情的 生物制浆 技术已具有国际先进水平，国产中等规模浆纸成套生产线的市场占有率明显提高，已 初步显示了与国际跨国公司竞争中的比较优势 7,12。 作为生活中不可缺少的日常用品，纸在人类文化、科学、工业、农业和商业中发 挥了极其重要的作用。 制浆造纸工业发展在资源、能源、环保等方面都面临着前所未 有的压力。要使我国的制浆造纸工业实现可持续发展，必须合理开发和充分利用纤维 资源，减少和防治环境污染，生物技术的应用是实现这一目标的有效途径之一。 1.4 本设计研究的内容指导思想与意义 1.4.1 本设计研究的主要内容 1）生物制浆在造纸行业中的应用及发展前景； 2）玉米秸秆在造纸工业中的应用，对制浆造纸工厂进行设计； 3）查阅资料，确定生产工艺技术指标； 4）根据所确定的工艺流程及浆水平衡计算结果进行设备选型； 5）根据所确定的工艺流程及设备选型制出设备工艺流程图； 6）根据所确定的工艺流程及设备选型制出车间设备平面布置图 16。 1.4.2 设计指导思想 本设计中所选的设备及工艺条件力求于稳妥、先进、可靠。在稳妥的条件下，尽 量选用可靠的设备及工艺流程。所选用的设备要均一，使整个系统处于平衡 15。 从原材料方面考虑， 我国是一个农业大国玉米在东北、华北地区大面积种植 ，为制 浆造纸行业提供了丰富的原料， 所以在设计过程中选用玉米秸秆作为制浆原料 ，以解决 资源紧张问题17。在生产工艺与设备选型方面，以经济性高和保证产品良好质量的前提 下进行选择，并在此基础上尝试选用具有高新