（化工过程机械专业论文）纸浆喷放过程中的能量转换及其应用研究.pdf

r es e a r c ha n da p p l i c a t i o no nt h e e n e r g yc o n v e r s i o nm e c h a n i s mo f p u l pb l o w i n gp r o c e s s at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e r ( o rd o c t o r ) o fe 丛g i 望星! i 望g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r c h e n h a i - f e n 1 ! m a r c h ，2 0 1 0 纸浆喷放过程的能量转换及其应用研究 摘要 近年来，我国造纸工业取得了较大的发展，但综合能耗仍远高于国际平 均水平，高能耗已成为制约我国造纸工业发展的瓶颈。对整个制浆造纸各个 环节而言，蒸煮部是能耗较大的工段。通过分析现有的能量回收系统可以发 现，传统蒸煮过程中的热喷放导致浆料强度下降、回收的能量品位低、回收 率欠佳；冷喷放虽然在保持浆料强度和热能回用方面获得显著效果，但制浆 系统因此而庞大复杂，影响了进一步发展。因此研发高效能量回收技术，合 理利用能量，是提高经济效益和改善环境质量的重要途径。 分析纸浆喷放过程的能量转换机理与纸浆喷放的运动特性，设计并加工 了纸浆膨胀一阻尼器，通过实验探讨了纸浆内可汽化介质的汽化速率与纤维 强度之间的关系，发现只要喷放时不发生闪蒸现象，就能保证纸浆的纤维强 度。以此为理论，结合工业上压力能回收技术，确定了通过透平回收纸浆蒸 煮后的富余能量的方案。 设计并搭建了纸浆能量转换实验平台，通过模拟喷放过程，以实验数据 为基础，用火用分析法评价了此能量回收方案在热力学方面的完善程度，通过 比较发现传统热喷放过程中的大量高品位能量完全没有利用，此种能量回收 系统的回收效果不论是从质还是量上都得到了大幅度提高。 对进行能量转换实验后的纸浆进行抄样，利用扫描电镜观察纤维形态并 对其主要性能参数进行了检测，得出全压喷放对纸浆纤维强度的影响较小， 纤维间的巨大内摩擦力导致单根纤维被挤压、揉搓、扭曲、纵向撕裂乃至进 一步内、外细纤维化，这种细纤维化增大了比表面积，从而纤维的结合作用 增强，纸张使用品质增强。纸浆浓度越高，在高强脉动作用下，纤维相互扰 动和摩擦的机会就更大，纤维受到的特殊机械剪切力作用更明显，纤维变得 更柔软，柔韧性也得到增强。闪蒸是影响纤维质量最主要的因素，主要原因 是压力突降时，纸浆纤维细胞中的水发生闪蒸，相的变化对纤维造成很强的 冲击作用，导致纤维损伤，工业上有时会采用降压喷放来保证产品的质量， 所以应设法利用全压喷放的有效能量，最大限度的回收能量，不仅能够保证 纤维质量，而且节能效果显著。 最后，采用c f d 技术对透平内的流场进行了仿真研究。主要采用了标准 l r e p s i l o n 两方程的湍流模型为计算模型，揭示了透平内能量转换的过程， 为以后的优化设计提供了依据。 本研究的主要成果及主要贡献表现在三个方面： ( 1 ) 设计并加工了一套实验用膨胀一阻尼器，探讨了纸浆的纤维性能与 纸浆喷放过程的能量转换关系。 ( 2 ) 创新性的提出应用透平来实现节能的方案，不仅能够实现较好的能 量回收率，简化原有的能量回收系统，同时能够减少对纸浆强度的破坏，使 纸浆质量得到一定改善。 ( 3 ) 基于c f d 计算流体动力学软件平台，对透平内流场进行了数值模拟， 对进一步研究产生指导意义。 关键词：蒸煮，能量转换，喷放，纤维形态，能量回收 i i r es e a r c ha n da p p l i c a t i o no nt h e e n e r g yc o n v e r s i o nm e c h a n i s mo fp u l p b l o w i n gp r o c e s s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d ei np a p e rm a k i n gi n d u s t r yi no u r c o u n t r y , b u tt h ec o m p r e h e n s i v ee n e r g yc o n s u m p t i o ni s s t i l lf a rh i g h e rt h a nt h e i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s t h e r e f o r e ，t h eh i g he n e r g yc o n s u m p t i o nh a sb e c o m ea c o n s t r a i n i n gb o t t l e n e c ki nt h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sp a p e rm a k i n gi n d u s t r y d u r i n gt h ew h o l ep r o c e s so fp a p e r m a k i n g ，c o o k i n gs e c t i o ni s t h eo n et h a t c o n s u m e st h em o s te n e r g y t h r o u g ha n a l y s i so fe x i s t i n ge n e r g ys y s t e m s ，i ti s d i s c o v e r e dm a tt h eh o tb l o w i n gi nt r a d i t i o nd i g e s t i n gp r o c e s sw e a k e n st h e i n t e n s i t yo fp u l p ，l o w e r st h eq u a l i t yo fr e c o v e r yh o te n e r g y , a n dr e d u c e st h er a t e o fh e a tr e c o v e r y a l t h o u g hi ta c h i e v e ss i g n i f i c a n te f f e c ti nk e e p i n g p u l pi n t e n s i t y a n dh e a te n e r g yr e c o v e r y , c o l db l o w i n gm a k e sc o o k i n gs y s t e mc o m p l e xa n d h i n d e r si t sf u r t h e rd e v e l o p m e n t a c c o r d i n g l y , t h ed e v e l o p m e n to f h i g h l ye f f i c i e n t e n e r g yr e c o v e r yt e c h n o l o g ya n dr a t i o n a lu s eo fe n e r g yb e c o m e sa ni m p o r t a n t w a y t oe n h a n c et h ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dt h ee n v i r o n m e n tq u a l i t y i nt h et h e s i s ，t h em e c h a n i s mo fe n e r g yc o n v e r s i o ni nh o tb l o w i n gp r o c e s s a n dt h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fp a p e rp u l p i n gw a sa n a l y z e d ，a n da p u l p e x p a n s i o n d a m p e rw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e v a p o r i z a t i o nr a t eo fm e d i a a n df i b e rs t r e n g t hw e r ee x p l o r e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ， w h i c hr e v e a l st h a ta sl o n ga st h ef l a s hp h e n o m e n o nd o e sn o to c c u rd u r i n gp u l p b l o w i n g ，t h es t r e n g t ho fp u l pf i b e r s c a nb ee n s u r e d b a s e do nt h i st h e o r y , a n d c o m b i n e dw i t hp r e s s u r er e c o v e r yt e c h n o l o g yi ni n d u s t r y , t h es o l u t i o no ft h e i l i s u r p l u se n e r g yr e c o v e r ya f t e rt h ep u l pc o o k i n gt h r o u g ht u r b i n ei sd e t e r m i n e d a ne x p e r i m e n tp l a t f o r mo fe n e r g yc o n v e r s i o nw a sd e s i g n e da n ds e tu p t h r o u g hs i m u l a t i n gt h ep r o c e s so fb l o w i n g ，b a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e e n e r g ya n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt oe v a l u a t et h ec o m p l e t e n e s sd e g r e eo ft h i s e n e r g yr e c o v e r ys y s t e mi nt e r m so ft h e r m o d y n a m i c s b yc o m p a r i s o n ，i ti s d i s c o v e r e dt h a tal o to fh i g hg r a d ee n e r g yh a sn o tb e e nu s e di nt r a d i t i o n a lh o t b l o w i n gp r o c e s s ，w h i l et h i se n e r g yr e c o v e r ys y s t e mm a k e st h er e c o v e r ye f f e c t e n h a n c e ds u b s t a n t i a l l yn o to n l yi nq u a l i t yb u ta l s oi nq u a n t i t y t h ep u l pa i t e rt h ee n e r g yc o n v e r s i o ne x p e r i m e n tw a ss a m p l e c o p i e d ，t h e f i b e rs h a p eo ft h ep u l pw a so b s e r v e db yu s i n gs e m ，a n dt h em a i np e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so ft h ep u l pw e r ee x a m i n e d ，w h i c hr e v e a l st h a tt h ef u l lp r e s s u r e b l o w i n gh a sl i t t l ei n f l u e n c eo np u l pf i b e rs t r e n g t h ，a n dt h eh u g ei n t r a - f i b e r f r i c t i o nf o r c er e n d e r st h es i n g l ef i b e rs q u e e z e d ，r u b b e d ，t w i s t e d ，s p l i tv e r t i c a l l y , e v e nf u r t h e rf i b r i l l a t e di n w a r da n do u t w a r d t h ef i b r i l l a t i o ni n c r e a s e st h e s p e c i f i cs u r f a c ea r e ao ff i n ef i b r o s i s ，w h i c he n h a n c e st h ec o n j u g a t i o no ff i b e r s a n dt h eq u a l i t yo f p a p e r t h eh i g h e rc o n c e n t r a t i o no ft h ep u l p ，t h eg r e a t e r c h a n c e so ft h em u t u a ld i s t u r b a n c ea n df r i c t i o no ff i b e r si n f l u e n c e db yt h eh i g h - s t r e n g t hp u l s e ，a n dt h em o r es i g n i f i c a n te f f e c to ft h ep a r t i c u l a rm e c h a n i c a l s h e a r i n ga c t i o n h e n c e ，t h ef i b e rb e c o m e sm o r ef l e x i b l e ，a n di t sf l e x i b i l i t yg e t s e n h a n c e d f l a s h - s t e a m i n gi st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gf i b e rq u a l i t y , m a i n l yb e c a u s ew h e nt h ep r e s s u r es u d d e n l yd r o p s ，t h ew a t e ri nt h ep u l p f i b r o b l a s t sg e t sf l a s h s t e a m e d ，a n dp h a s ec h a n g eh a ss t r o n gi m p a c te f f e c to nt h e f i b e r , w h i c hr e s u l t si nf i b e rd a m a g e s o m e t i m e st h es t e p - d o w nb l o w i n gm e t h o d i su s e di ni n d u s t r yt oe n s u r et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s t h e r e f o r e ，t h ee f f e c t i v e f u l lp r e s s u r eb l o w i n gs h o u l db eu s e dt or e c o v e rt h ee n e r g yt ot h eg r e a t e s te x t e n t ， w h i c he n s u r e sn o to n l yt h eq u a l i t yo ft h ef i b e r ，b u ta l s ot h er e m a r k a b l ee f f e c to f e n e r g ys a v i n g f i n a l l y , s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h ef i e l dw i t h i nt h et u r b i n ew a sm a d eb y u s i n g c f dt e c h n o l o g y a n dt h et u r b u l e n c em o d e lo fs t a n d a r d k - e p s i l o n t w o e q u a t i o nw a sm a i n l yu s e da st h ec a l c u l a t i o nm o d e l ，w h i c hr e v e a l st h e p r o c e s so fe n e r g yc o n v e r s i o ni n s i d et h et u r b i n ea n dp r o v i d e st h ee v i d e n c ef o r t h e o p t i m a ld e s i g ni nt h ef u t u r e t h em a i nr e s u l t sa n dt h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i ss t u d ya r em a n i f e s t e di n i v f o l l o w i n gt h r e ea r e a s ： ( 1 ) t h el a b o r a t o r ye q u i p m e n to ft h ee x p a n s i o n d a m p e rs e t sw a sd e s i g n e d a n dp r o c e s s e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i b e rp e r f o r m a n c eo ft h ep u l p a n dt h ee n e r g yc o n v e r s i o n d u r i n gt h ep r o c e s so fp u l pb l o w i n gw a se x p l o r e d ( 2 ) t h es c h e m ef o rr e a l i z i n ge n e r g ys a v i n gb ym e a n so ft u r b i n ew a s c r e a t i v e l yp r o p o s e d ，w h i c hn o to n l ys a f e g u a r d sh i g h e re n e r g yr e c o v e r yr a t ea n d s i m p l i f i e st h eo r i g i n a ls y s t e mo fe n e r g yr e c o v e r y , b u ta l s or e d u c e sd a m a g eo ft h e i n t e n s i t yo f t h ep u l pa n dm a k e st h e p u l pq u a l i t yi m p r o v e d ( 3 ) b a s e do nc f d s o t i w a r ep l a t f o r m ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o w f i e l dw i t h i nt h et u r b i n ew a sm a d e ，w h i c hh a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rf u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：c o o k i n g ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，f u l l p r e s s u r eb l o w i n g ，f i b e r s h a p e ，e n e r g yr e c o v e r y v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i e j 录i l 绪论1 1 1 制浆造纸工业能耗现状l 1 2 制浆蒸煮技术的发展1 1 2 1 传统间歇蒸煮技术l 1 2 2 低能耗间歇蒸煮技术2 1 2 3 连续蒸煮技术5 1 3 制浆蒸煮技术能量回收的分析8 1 3 1 传统间歇蒸煮技术8 1 3 2 低能耗间歇蒸煮技术8 1 3 3 连续蒸煮技术8 1 4 本课题的主要研究内容9 2 纸浆热喷放机理及实验方案的设计1 1 2 1 热量衡算1 1 2 2 纸浆热喷放的能量转换机理1 2 2 3 纸浆热喷放的运动特性1 2 2 3 1 纸浆流动特性1 2 2 3 2 纸浆湍流运动对纤维强度影响的研究13 2 4 实验方案的确定15 2 5 本章小结17 3 纸浆透平机的设计与计算1 9 3 1 纸浆透平机过流部件设计1 9 3 1 1 纸浆透平机选型1 9 3 1 2 设计参数的确定1 9 3 1 3 蜗壳的水力计算2 1 3 1 4 转轮的水力计算2 6 3 2 纸浆透平机的结构设计2 7 3 2 1 主轴的结构和工艺要求2 7 3 2 2 主轴密封结构2 8 3 2 3 联轴器的选用2 9 3 3 本章小结3 0 4 纸浆通过透平喷放的实验研究3 1 4 1 实验平台的搭建3 1 4 1 1 纸浆透平机的选用3l 4 1 2 蒸煮锅的设计3 2 4 2 能量回收3 4 4 3 纸浆质量3 6 4 4 回收能量的利用4 0 4 5 本章小结4 0 5 透平内部流动的三维数值模拟4 l 5 1 引言4 1 5 2 基本方程与湍流方程4 1 5 3 模拟过程4 2 5 4 数值计算结果与分析4 5 5 4 1 压力分布4 5 5 4 2 速度分布4 7 5 5 本章小结。4 8 6 结论4 9 6 1 全文总结4 9 6 2 本论文的创新之处5 0 6 3 未来工作展望5 0 致谢5 1 参考文献5 3 攻读硕士学位期间参与的项目实践及发表的论文5 5 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明5 7 i i 纸浆喷放过程中的能量转换及其应用研究 1 绪论 1 1 制浆造纸工业能耗现状 我国是一个能源消费的大国，人均能源资源占有量不到世界人均占有量的一半，是 一个能源资源不足的国家，而且浪费现象十分严重。我国主要耗能产品的单位产品能耗 比发达国家高出3 0 ，- - 8 0 ，在全球能源危机的大环境下，合理用能、节约能源已成为影 响我国工业发展的一个重要因素。 制浆造纸工业是一种能源密集型行业，据2 0 0 4 年统计，国外纸厂吨纸水耗为1 0 2 0 m 3 ，吨浆纸综合水耗为3 5 5 0 m 3 ，而我国造纸工业吨纸水耗高达l o o m 3 以上，吨浆纸综合 水耗高达3 0 0 m 3 以上：世界造纸最先进消耗水平吨纸和纸板的综合能耗约为0 8 t 标煤，而 我国每吨纸和纸板的综合能耗为1 5 5 t 标准煤，国外仅是我国吨纸综合能耗的1 2 ，还应 看到国外的标准煤是指制浆造纸过程消耗的总能量，相当大数量的能源是靠燃烧蒸煮废 液、树皮及其他固体废料而获得，与之相比，我国造纸工业的差距很大i 1 2 3 1o 在国家发 改委启动节能中长期专项规划十大重点节能工程，包括节约和替代石油工程、燃煤 工业锅炉( 窑炉) 改造工程、区域热电联产工程、余热余压利用工程、电机系统节能工 程、能量系统优化工程等，均与造纸工业密切相关【4 】。故我国在造纸工业节能技术( 包括 单元设备节能技术和系统节能技术) 和节能理论研究方面的工作任重道远。 蒸煮是化学制浆中能耗最大的工段，占制浆总能耗的4 5 左右，故蒸煮工段的节能降 耗对造纸工业的发展有着十分重要的意义。若能利用先进的能量分析方法改造传统技术， 合理利用能量，降低其单位能耗，既能提高经济效益又能改善环境质量。 1 2 制浆蒸煮技术的发展 1 2 1 传统间歇蒸煮技术 在常规的制浆方法中，蒸煮锅一次性加入蒸煮药液后，将木片送入锅中，然后经循 环泵从蒸煮锅中部把蒸煮液不断抽出，加热后再从顶部和底部送入，木片在蒸煮锅中蒸 解成浆，最后以全压( 或减压) 方式释放浆料到喷放锅。 利用喷放过程中产生的闪蒸蒸汽进行能量回收，凝结水槽是系统的关键设备，从喷 放锅排出的闪急蒸汽与从凝结槽底部泵出的冷凝结水在槽的顶部混合。蒸汽连同有机气 化物以及挟带的黑液冷凝下来形成“污冷凝水”流入凝结水槽的上部。该污热水用于间 接加热新鲜的清水，用来洗涤纸浆，污热水冷却后，又返回到凝结水槽的底部。图1 是典 型的硫酸盐间歇蒸煮锅喷放热量回收系统1 5 】。 陕西科技大学硕士学位论文 1 一泵2 一凝结器3 一温控流量阀4 一凝结水槽 5 一过滤器6 一泵7 一热交换器8 一温控装置 图1 1 典型的喷放热量回收系统 f i g1 1t y p i c a lb l o w i n gh e a tr e c o v e r ys y s t e m s 1 2 2 低能耗间歇蒸煮技术 对于常规间歇蒸煮来讲，吨浆耗汽量在2 吨左右，为了降低能耗，出现了许多的改进 的间歇蒸煮技术，在这些技术中，s u p e r b a t c h 硼、热能快速置换法( r d h 法) 、d i s p l a c e m e n t d i g e s t e rs y s t e m s ( d d s ) 三种方法的节能效果最为出色，其应用范围也最广。 参阅近几年的研究情况，简要介绍这几种低能耗间歇蒸煮方法： as u p e r b a t c h t m 蒸煮工序 s u p e r b a t c h 删蒸煮原理如下图所示【6 】。 嘲呻射培瓴岣唾叼 图l 一2s u p e r b a t c h t i d 系统流程图 f i g1 - 2s u p e r b a t c h t ms y s t e mf l o w c h a r t 2 硼 纸浆喷放过程中的能量转换及其应用研究 装料及预浸渍阶段：在超级间歇蒸煮系统中，木片通过皮带输送器或装料螺旋送入 蒸煮器，装料阶段持续2 0 分钟左右。然后温黑液从蒸煮器底部泵入，直到注满。关闭锅 顶阀后，继续注入温黑液以提升压力，有时需补充白液保证p h 要求。 注液阶段：用热黑液和需要补充的热白液将蒸煮器中的温黑液置换到温黑液槽罐中， 而温黑液槽罐中的溢流部分被送至蒸发设备。 升温蒸煮阶段：热药液加完后，锅中温度已接近蒸煮最高温度，再向锅内通蒸汽加 热升温，直至达到蒸煮最高温度。然后开动药液循环泵，药液在锅内循环，开始蒸煮木 冀。 置换阶段：达到预定的h 因子后停止蒸煮，将来自洗涤工段最后一次洗涤的滤液，即 温度为7 0 c 左右的温稀黑液，从锅底部注入，滤液上升将锅中黑液置换出来，高温浓黑 液进入热黑液槽，留作下次蒸煮用( 此时黑液温度相当于蒸煮最高温度) 。浆料的温度被 冷却到1 0 0 以下，置换过程相当于一个洗涤步骤。 喷放阶段：喷放是采用泵抽方式或蒸汽喷放，将蒸煮器内浆料送到一个普通的中浓 贮浆池中。 b 热能快速置换法( r d h 法) 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 1 】 快速置换加热( r a p i dd i s p l a c e m e n th e a t i n gm e t h o d ，简称r d h ) 间歇蒸煮技术是美国 比洛伊特( b e l o i t ) 公司在1 9 8 0 年开发的一种具有黑液预处理过程的低能耗的制浆系统。 r d h 蒸煮步骤如下图所示。 1 _ 喷放仓2 一稀黑液贮槽3 一空压机4 一蒸煮锅5 一蒸煮液加热器 6 一皂化物罐7 一温液回收锅8 一黑液回收锅9 一白液预热器1 0 一白液贮槽 图1 - - 3r d h 系统流程图 f i g1 - 3r d hs y s t e mf l o w c h a r t 装料阶段：r d h 用蒸汽装锅，这种装料方式不仅能够使木片在锅内分布比较均匀，而 且能增力h 2 5 的装锅量，从而产量提高。装木片时，冷黑液( 8 5 。c ) 从锅底泵入。冷黑液进 入锅内后形成的冷液层会形成一定的静压头，这样不仅能够样防止温黑液进入时产生闪 陕西科技大学硕士学位论文 蒸现象，而且能够回收一部份化学药品和能量。同时为了防止有机物沉淀会加入一定量 的白液。 注温黑液阶段：锅内加入温黑液后温度达到1 0 0 。当预计的温蒸煮液体积送完后， 关闭锅顶的压力控制阀，但是送液泵必须继续工作直至锅内压力达6 5 5 k p a ，这样做的原因 是为了改善蒸煮的渗透效果，同时也是为了防止送热蒸煮液时造成的闪蒸。在送温黑液时， 冷的白液加入到温黑液中，在送冷黑液与送温黑液时加入的白液的量要控制在蒸煮时要 求的总有效碱的3 0 4 0 。 注热药液阶段：热黑液加入蒸煮锅将温黑液从锅顶置换出去，温黑液被送至温黑液 贮存槽中，经内部的浮选去皂装置后泵送往蒸发器，这时黑液的温度约为9 0 。c 。在送热 黑液操作之后，加入热白液收集槽中的热白液来维持合适的碱液浓度。送液结束后锅内温 度一般是1 5 5 1 6 0 。 升温和保温阶段：蒸汽直接通入药液循环管线，使蒸煮锅达到预定的温度。连续循 环药液，使蒸煮锅内保持蒸煮温度直到达到预定的h 因子为止。 置换阶段：蒸煮结束时，洗涤后稀黑液由蒸煮锅底部泵送入锅内，置换出的锅内1 6 5 的热黑液流入热黑液储存槽。在继续置换过程中，将低温度的黑液流入温黑液储存槽。 置换结束后锅内纸浆被冷却到8 0 ，这是一个能量贮存环节，且相当于一台真空洗涤机的 洗涤过程，同时回收了残碱。 喷放阶段：当纸浆温度降至8 0 。c 时，由锅顶加入压缩空气或用泵抽进行喷放。 c d i s p l a c e m e n td i g e s t e rs y s t e m s ( d d s ) c p l 公司( c h e m i c a la n dp u l p i n gl t d ) 结合c a b t e ci n t e r n a t i o n a li i c 公司对于r d h 系统做出的改进推出了更灵活的置换间歇式蒸煮系统d d s ( d i s p l a c e m e n td i g e s t e r s y s t e m s ) 。 d d s 生产操作程序如下图所示【1 2 】： 4 纸浆喷放过程中的能量转换及其应用研究 d d s 完整的工艺流程d e s i g ngt a n kf a r m 圆圆圆 奉触c 赢赢磊丙丽函= i 图1 - 4d d s 系统流程图 f i g1 - 4d d ss y s t e mf l o w c h a r t 装料阶段：与传统的间歇蒸煮一样，把木片、冷黑液和一些冷白液装入蒸煮锅。在 操作的末期，装料阀关闭，蒸煮锅进入带压状态。 温黑液注入阶段：温黑液和冷白液用来注入蒸煮锅，并置换出锅内装料过程中加入 的冷黑液，同时开始脱木素。随着充装进行，锅内的压力和温度被提高，脱木素不断进 行，当到达足够的温度时，木素得到最佳的去除。 热黑液注入阶段：用热黑液和热白液来注入蒸煮锅，把前一步温黑液注入操作中加 进的温黑液置换出来。随着蒸煮锅温度的提高，脱木素继续进行。 蒸煮阶段：该操作与常规间歇蒸煮一样。在升温阶段，利用蒸汽加热蒸煮锅到需要 的最高蒸煮温度。在保温阶段，蒸煮锅在一定的蒸煮温度下保持适当的时间。h 因子或 c p l 公司的脱木素确定因子d d f 决定总的蒸煮时间。 置换阶段：利用洗浆的滤液把热蒸煮液置换出来，被置换出的热黑液按温区贮存， 1 7 0 到热黑液内槽、1 5 0 到热黑液外槽、1 3 0 到温黑液内槽、1 1 0 到温黑液外槽， 下一个蒸煮操作中回用贮存的黑液。置换末期，蒸煮锅内浆料被冷却至低于1 0 0 。c ，避免 了在常压条件下闪蒸。 放锅阶段：在这一操作中，用泵把蒸煮锅内被冷却至低于常压闪蒸温度的浆料抽出， 进行冷喷放。 1 2 3 连续蒸煮技术 连续蒸煮是制浆技术的一个飞跃，是2 0 世纪造纸技术的重要里程碑。连续蒸煮分立 式和管式( 包括斜管式) 两大类，卡米尔连蒸器是目前应用最广泛的连续蒸煮装置，从 1 9 5 0 年第一台日产5 0 t 的卡米尔连续蒸煮器投入使用，发展至今，不论从设备到工艺技术 陕西科技大学硕士学位论文 上都得到了很大提高。 a 传统连续蒸煮器 这是最普遍应用的卡米尔立式连续蒸煮系统。木片经木片计量器和低压给料器进入 汽蒸管。木片在汽蒸管内在压力4 9 - - 一9 8 k p a ，温度1 0 0 , - 一1 2 0 。c 的状态下进行2 3 分钟的预 汽蒸，以最大限度的排出木片中的空气。汽蒸后的木片与循环的药液经高压给料器进入 蒸煮锅，木片由蒸煮锅顶部缓慢地下降到高压浸渍区，高压浸渍区的温度约为1 1 5 ，在 此区域约4 0 分钟后进入加热区。在此处，药液从滤带抽出，加热后经中心分配管送回蒸 煮器内，使被加热木片的温度由l1 5 。c 上升到1 7 5 而进入蒸煮区，按照成浆质量的要求 般木片通过蒸煮区的时间控制为6 0 分钟左右，根据实际需要可以调整通过的时间、蒸 煮区的温度以及药液浓度。最后进入热扩散洗涤区，温度为7 0 - - 一8 0 的稀黑液( 洗液) 泵入锅底冷却区，稀黑液分为两部分，一部分从锅底的滤网抽出，经加热到1 2 0 1 3 0 由中心分配管回到原来抽液的区段内，以相对于木片移动的方向上升，进行逆流扩散洗 涤，大约需1 5 4 小时，一部分稀黑液随冷却至9 0 1 0 0 浆料从排料装置排出。制成的 浆料由喷放阀到喷放锅【1 3 , 1 4 。 图卜5 传统连蒸器 f i g1 - 5t r a d i t i o n a lc o n t i n u o u sc o o k i n gd i g e s t e r b 改良连续蒸煮器 改良连续蒸煮技术是在传统连续蒸煮的基础上增加一个逆流蒸煮区，该蒸煮区布置 在原顺流蒸煮区下方，多点加入蒸煮白液，一处在常规处加入，一处在浸渍器与蒸煮器 之间转移循环处加入，一处是在逆流蒸煮循环处加入。该技术1 9 8 5 年在芬兰运行成功之 后，得到了广泛应用。采用该技术后不仅漂白车间污染负荷也低于常规法蒸煮而且卡伯 值降低了1 0 个单位，纸浆的粘度提高了至少1 0 0 个单位，纸浆的撕力也较高。 6 纸浆喷放过程中的能量转换及其应用研究 图卜6 改良连蒸器 f i gl - 6m o d i f i e dc o n t i n u o u sc o o k i n gd i g e s t e r c 等温连续蒸煮器 这种蒸煮工艺除了与改良连续蒸煮同样采用逆流蒸煮和多点加入白液以外，最大的特 点是洗涤区采用大容量洗涤。逆流蒸煮延伸到洗涤区，使整个蒸煮器形成顺流和逆流两 个区域，这样就能够使整个蒸煮器包括顺流与逆流区都达到最高蒸煮温度。此蒸煮技术 与传统蒸煮相比蒸煮温度降低了1 0 c 左右，但时间较长。i t c 蒸煮均匀，漂白化学药品的 消耗低，其浆具有良好的可漂性。 图1 - 7 等温连蒸器 f i gl 一7i s o t h e r m a lc o o k i n gd i g e s t e r 除此之外，还出现了深度改良连续蒸煮、低溶解固形物蒸煮等连续蒸煮改良技术。 7 陕西科技大学硕士学位论文 1 3 制浆蒸煮技术能量回收的分析 1 3 1 传统间歇蒸煮技术 常规间歇蒸煮工艺最突出的问题有如下几点：首先，蒸煮完成后浆料是带压喷放， 会带来噪音污染，且此过程中产生的闪蒸蒸汽也会对对环境空气造成较大污染；其次， 二次蒸汽需要用大量的清水来进行喷淋冷却，产生的污热水加大了废水排放负荷；第三， 在这种工艺中，由于喷放期间，闪蒸蒸汽迅速膨胀且没有做任何有用功，系统回收的能量 只是经过闪蒸之后的低品位能量且主要是依靠温差传热来进行热回收，其回收效率还受 到旋风分离器的工作状态，喷射冷凝器、板式换热器的换热效率等因素制约，导致热能的 大量流失。浆料释放过程的热量没能得到有效的回收利用。 在重视环保、能源紧缺的今天，改进落后工艺势在必行。 1 3 2 低能耗间歇蒸煮技术 低能耗间歇蒸煮工艺最突出的问题有如下几点：首先是锅内热置换技术不能应用于 滤水性较差的纤维原料制浆过程，即是在木材原料制浆过程中，实现该技术所消耗的时 间也太长，不利于生产率的提高；其次，回收能量的品位单纯从热交换的角度看，已经 很高了，但从能量转换的角度看，仍有潜力可挖；第三，间歇蒸煮系统冷喷放的动力是 压缩气体，或者经过多级热置换洗涤后，用泵把浆料从蒸煮锅内泵出，都要消耗一定的 高品位能源电能；第四，为了实现锅内热置换洗涤，需要配置庞大而压力不等的热、 温、冷黑液储罐，以r d h 系统为例，蒸煮锅的容积为v ，则冷黑液槽为2 5 3 5v ，置 换滤液槽为5 6 v ，温黑液槽为2