蒸球低溫區(qū)的形成與應(yīng)對措施

·蒸球制漿·

蒸球低溫區(qū)的形成與應(yīng)對措施

薛潤林

(南京義友自控儀表有限公司,江蘇南京,210042)

摘要：對蒸球在蒸煮時低溫區(qū)的形成進(jìn)行了分析研究,并提出了應(yīng)對措施。結(jié)果表明,蒸球內(nèi)堿液浸潤后的棉短絨經(jīng)上層和自身重力擠壓出堿液從而形成低溫區(qū),使蒸球內(nèi)溫度分布不均勻,造成蒸煮不均勻。采用三通回轉(zhuǎn)閥對流加溫以及大液比浸透、小液比蒸煮的措施,可以消除蒸球內(nèi)的低溫區(qū),增強(qiáng)蒸煮的均勻性,提高蒸煮產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：低溫區(qū)；對流加溫；小液比；蒸煮

作者簡介：薛潤林先生，工程師；長期從事漿粕生產(chǎn)和自動化儀表方面的工作。

中圖分類號：TS749+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)06- 0048- 04

收稿日期：2015- 01- 22(修改稿)

Abstract：When cotton linter was cooked in a globe digester, the alkali solution which was pressed out from the impregnated cotton linter by the weight of upper lager raw material created a low temperature zone, it was formed that using convection heating and low liquid ratio for cooking could eliminate the low temperature zone, achieve uniform pulping and improve the pulp quality.

Forming of Low Temperature Zone Inside the Globe Digester and Its Solution

XUE Run-lin

(NanjingYiyouAutomaticInstrumentCo.,Ltd.,Nanjing,JiangsuProvince,210042)

(E-mail: njyiyou04@163.com)

Key words：low temperature zone; convection heating; low liquid ratio; cooking

目前棉短絨漿、硝化纖維棉漿、精制棉漿、化纖溶解漿等一般都是采用蒸球進(jìn)行蒸煮制漿,蒸球不僅用于造紙、化纖行業(yè),還擴(kuò)展到阿膠驢皮蒸煮、醫(yī)藥藥材蒸煮和醫(yī)用脫脂棉生產(chǎn)等。幾十年來, 蒸球的使用范圍有所擴(kuò)大,蒸球加溫方式及自動化程度有了一定的改進(jìn)和提高。但是, 蒸球轉(zhuǎn)動加溫方式存在的先天不足沒有得到有效改進(jìn)。蒸球蒸煮時,從外部看,蒸球在運(yùn)轉(zhuǎn),球內(nèi)的漿料似乎與蒸球同步轉(zhuǎn)動(蒸球運(yùn)轉(zhuǎn)，漿料在滑動)。但事實(shí)是,在蒸球轉(zhuǎn)動加溫過程中,大部分蒸汽未經(jīng)過液相對流加溫而直接進(jìn)入蒸球上部的汽相空間, 形成上部溫度高(汽相高溫區(qū))、下部溫度低(液相低溫區(qū))的現(xiàn)象,上下溫度相差20～30℃,蒸煮溫度分布很不均勻,溫度上的懸殊差異,直接造成蒸煮不均勻,間接降低產(chǎn)品質(zhì)量。

筆者對蒸球蒸煮時低溫區(qū)的形成進(jìn)行了研究,并提出了應(yīng)對措施，現(xiàn)總結(jié)如下，以供同行參考。

1蒸球低溫區(qū)的形成分析

1.1壓力浸透試驗(yàn)

通過以下試驗(yàn)(A試驗(yàn)、B試驗(yàn)),分析蒸球內(nèi)低溫區(qū)形成的主要原因,試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1　壓力滲透試驗(yàn)示意圖

在圖1所示的A試驗(yàn)中：活塞面積50 cm2,重力5 kg,相當(dāng)于50 cm2受到1 m水柱高的壓力 。將25 g棉短絨,浸泡在100 mL常溫水溶液中(0.1%YY-03滲透劑水溶液),攪拌數(shù)秒后,水溶液很快被均勻吸干凈。此時將A試驗(yàn) 加壓5 kg重力,棉短絨中的部分水被擠壓出,液位上升,液位高出活塞環(huán)。棉短絨完全浸泡在水溶液中,此時,棉短絨的含水量減少,為分析棉短絨減水量的多少,進(jìn)行了B試驗(yàn)。

在圖1的B試驗(yàn)中,在活塞上方(活塞缸可用500 mL燒杯代用,活塞用400 mL燒杯代用)加壓5 kg重力,棉短絨中的部分水被壓出,5 min后,稱得棉短絨質(zhì)量為78 g,(78-25)÷25=2.12,棉短絨含水液比為1∶2.12。在B試驗(yàn)上部改加10 kg重力,壓液5 min后,稱得棉短絨質(zhì)量為67 g，(67-25)÷25=1.68,棉短絨含水液比為1∶1.68,即加壓5～10 kg重力,棉短絨含水液比為1∶2.12～1.68。

上述試驗(yàn)表明,在堿液中棉短絨所含的堿液量受到上層和自身重力的作用,使得棉短絨中的部分堿液被壓出,壓力增大,棉短絨含液量減小,擠壓出的堿液量增多。

1.2高壓鍋蒸煮試驗(yàn)

以高壓鍋進(jìn)行蒸煮棉短絨試驗(yàn)分析,試驗(yàn)示意圖見圖2。

圖2　高壓鍋蒸煮示意圖

圖2中，棉短絨在高壓鍋內(nèi)，同時采用茶漏杯(40目不銹鋼絲網(wǎng)杯)和燒杯進(jìn)行蒸煮。蒸煮后發(fā)現(xiàn)，在同樣的工藝條件下, 茶漏杯蒸煮均勻性和去雜質(zhì)效果要好于燒杯蒸煮。分析原因是上升的蒸汽可以從茶漏杯的底部、四周和上部進(jìn)入, 溫度上升快,蒸煮均勻性好。而燒杯蒸煮,燒杯底部和周圍靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行加溫, 棉短絨和堿液是熱傳導(dǎo)的不良導(dǎo)體, 溫度上升速度較慢，上升的蒸汽返向從燒杯口進(jìn)入,蒸汽不能穿透堿液面提高下部的溫度,這樣造成燒杯蒸煮的均勻性略有遜色。從茶漏杯與燒杯蒸煮分析來看，蒸球轉(zhuǎn)動加溫的先天不足是造成蒸球內(nèi)溫度分布不均勻的主要因素。

1.3蒸球蒸煮試驗(yàn)

2017年9月，?？谑腥嗣駲z察院經(jīng)審查決定，依法對程立生以涉嫌受賄罪立案偵查并采取強(qiáng)制措施。2018年1月2日，程立生被檢方提起公訴。

現(xiàn)以40 m3蒸球生產(chǎn)化纖漿進(jìn)行蒸煮試驗(yàn)：投料絕干量4500 kg，用堿率16%，液比1∶4, 堿液濃度40 g/L,滲透劑YY-02(本公司產(chǎn)品)用量0.1%(棉短絨絕干量),堿液入球溫度90℃,投料堿液量18 m3。

棉包經(jīng)開棉、機(jī)械除雜后, 風(fēng)送到旋風(fēng)分離器與堿液充分?jǐn)嚢韬徒负? 經(jīng)螺旋壓榨機(jī)、螺旋輸送機(jī)進(jìn)行裝鍋。投料1 h左右,上球蓋,啟動蒸球,空運(yùn)轉(zhuǎn)20 min,空運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束時,球內(nèi)漿料狀態(tài)見圖3。

圖3　蒸球內(nèi)堿液液位示意圖

圖3所示的蒸球40 m3,球內(nèi)徑4300 mm，蒸球下部的棉短絨要受到上層和自身重力產(chǎn)生向下的20 kPa左右的壓力，部分堿液被壓出 ,堿液位升到蒸球中軸線附近。

蒸球旋轉(zhuǎn)方式,造成大部分蒸汽通過中通管和轉(zhuǎn)動的篦子進(jìn)入蒸球上部，而蒸球下部壓力要大于上部汽相壓0.03 MPa左右(底部壓力=汽相壓力+棉短絨3 m高度重力),蒸汽易流向壓力較低的汽相空間，進(jìn)入液相的蒸汽量自然會減少，造成蒸球內(nèi)溫度上高下低。球內(nèi)溫度分布示意見圖4。

圖4　蒸球內(nèi)溫度分布示意圖

從圖4可以看出，溫度傳感器PT100安裝在蒸球內(nèi)的中軸線上，蒸球空運(yùn)轉(zhuǎn)20 min后，進(jìn)行100 min升溫,升溫過程中進(jìn)行二次小放氣,排除球內(nèi)空氣，防止假壓的產(chǎn)生，第二次小放氣后,球內(nèi)飽和蒸汽壓力升到0.7 MPa，進(jìn)入保溫階段，0.7 MPa壓力相對應(yīng)的飽和蒸汽溫度是170℃。溫度傳感器測量出的溫度高低受到球內(nèi)堿液入球量和蒸汽進(jìn)入量的影響,液比大,進(jìn)蒸汽量大,堿液位高。圖4中，當(dāng)液位升到A點(diǎn)的記錄曲線是A、B、C勻處在堿液位上方汽相空間,測出的溫度都是170℃,記錄曲線平穩(wěn)；堿液位在B點(diǎn)時，液位接近PT100，B點(diǎn)168℃, 堿液間斷接觸到PT100傳感器，記錄曲線出現(xiàn)小幅度波動，A點(diǎn)處在液相中,測出溫度160℃,記錄曲線波動較大,C點(diǎn)處在汽相空間，測出的是170℃汽相溫度；當(dāng)液位上升到C點(diǎn)時，C點(diǎn)溫度168℃,B點(diǎn)160℃,A點(diǎn)145℃,記錄曲線波動大。蒸球內(nèi)的堿液位,造成液相溫度偏低20～30℃,溫度分布的不均勻,降低了蒸煮均勻性，從而降低蒸煮產(chǎn)品的質(zhì)量。

2應(yīng)對措施

針對蒸球低溫區(qū)形成的分析，采取以下的應(yīng)對措施，以提高蒸球內(nèi)溫度分布的均勻性。

2.1應(yīng)用三通回轉(zhuǎn)閥實(shí)現(xiàn)蒸球?qū)α骷訙豙1]

三通回轉(zhuǎn)閥照片見圖5,三通回轉(zhuǎn)閥工作原理見圖6。

三通回轉(zhuǎn)閥安裝在球內(nèi)軸頭處，隨蒸球同步運(yùn)行。當(dāng)篦子運(yùn)行到下方120°時,通蒸汽，進(jìn)行對流加溫，蒸汽自下而上加溫低溫區(qū)的液堿，堿液沸騰上升對流。當(dāng)篦子離開下方120°時，停止加溫。這樣,周而復(fù)始地實(shí)現(xiàn)蒸汽連續(xù)不間斷的對流加溫。

圖5　三通回轉(zhuǎn)閥外形照片

圖6　安裝在蒸球內(nèi)的三通回轉(zhuǎn)閥工作原理示意圖

三通回轉(zhuǎn)閥安裝在蒸球外軸頭處，見圖7。

圖7　蒸球內(nèi)的三通異型管布汽示意圖

蒸球三通異型管布汽安裝：從軸頭把Φ200 mm×6 mm異型管插到蒸球內(nèi),分別從異型管引出三根DN100盤向管,在引管終端做三個通汽篦子,異型管外壁與球內(nèi)壁焊接密封。三通回轉(zhuǎn)閥在球外與三通異型管相通,實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)閥的球外安裝?；剞D(zhuǎn)閥安裝調(diào)試完畢,啟動蒸球,回轉(zhuǎn)閥體隨蒸球同步運(yùn)行,當(dāng)一個篦子運(yùn)行到下方120°時,通蒸汽,進(jìn)行對流加溫,當(dāng)篦子快要離開下方120°時,另一個篦子己進(jìn)入下方120°,前一個篦子停止進(jìn)汽,后一個篦子繼續(xù)進(jìn)汽,這樣就實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的對流加溫,提高了球內(nèi)溫度分布均勻性,從而提高蒸煮的均勻性。

2.2采用大液比滲透小液比蒸煮的制漿工藝[2]

棉短絨用大液比進(jìn)行滲透,可提高堿液滲透的均勻性,這是用大液比的好處；但大液比增加用堿量,又會增大球內(nèi)低溫區(qū),降低蒸煮的均勻性,這是大液比存在的問題,因此,大液比只能用于滲透,不宜用于蒸煮。棉短絨在皂化脫脂,乳化去除雜質(zhì)一系列化學(xué)反應(yīng)中,只消耗不足1/3的堿量,也就是在棉短絨充分浸潤的條件下,用小液比進(jìn)行蒸煮制漿,既能節(jié)堿,又能提高蒸煮均勻性。因此,在滲透均勻的條件下,壓出球中多余的堿液,是實(shí)現(xiàn)小液比蒸煮的重要措施。蒸球向外壓堿液示意圖見圖8。

圖8　蒸球向外壓堿液示意圖

如圖8所示,其操作過程為：采用液比1∶5～6的大液比進(jìn)行投料,棉短絨和堿液己占球內(nèi)容積的3/4以上,投料后啟動蒸球,同時向球內(nèi)通入0.4～0.6 MPa壓縮空氣,漿料在刮板攪拌下,壓縮空氣的壓力加快堿液向漿料和雜質(zhì)的滲透,此時,棉籽殼碎片澎化變軟,少量的油脂和木素被溶出,部分棉籽碎片邊緣呈微黃色。壓力滲透60 min后,蒸球停止在壓黑液的位置。打開A閥,壓出漿料中的堿液,壓堿液20 min,使蒸球內(nèi)液比降到1∶3～3.5。漿料內(nèi)所吸附的堿液壓不出來,在壓堿液后,蒸球中放入塑料(橡膠)氣囊(氣囊相當(dāng)于自行車的內(nèi)胎,可承受高壓),通入壓縮空氣0.05～0.1 MPa,氣囊逐漸膨大擠壓出漿料中的部分堿液,壓堿液15～20 min,使液比在1∶1.5～2.0。壓堿液結(jié)束,取出氣囊,上好球蓋,啟動蒸球,進(jìn)行升溫、保溫、放氣、H2O2蒸漂,待蒸漂結(jié)束,開球蓋倒料,蒸煮工藝結(jié)束。

大液比滲透、小液比蒸煮擴(kuò)大了蒸球內(nèi)汽相空間,提高了蒸球內(nèi)溫度分布的均勻性,即提高了蒸煮的均勻性,可節(jié)堿、節(jié)能、減少黑液量,降低污染[3]。

3結(jié)論

對蒸球在蒸煮時低溫區(qū)的形成進(jìn)行了分析研究，并提出了應(yīng)對措施。

(1)蒸球幾十年來的轉(zhuǎn)動加溫方式,是造成蒸球內(nèi)溫度分布不均勻的主要原因，采用三通回轉(zhuǎn)閥可以實(shí)現(xiàn)蒸球?qū)α骷訙?堿液進(jìn)行自下而上沸騰對流循環(huán),使上下溫度趨向一致,克服了蒸球蒸煮的不足,提高了蒸球內(nèi)溫度分布的均勻性。

(2)蒸球內(nèi)棉短絨在上部棉短絨的自重壓力下,棉短絨所吸附的部分堿液被壓出,壓出的堿液在球內(nèi)會形成一個逐漸增大的低溫區(qū),降低蒸煮的均勻性。棉短絨在皂化、乳化反應(yīng)中, 只消耗不足1/3的堿量,過多的堿液不僅是浪費(fèi),而且會污染環(huán)境,棉短絨蒸煮采用大液比滲透、小液比蒸煮,相當(dāng)于增加了一個濕法除雜過程,即提高了堿液滲透均勻性,又能排去部分雜質(zhì),可節(jié)堿、節(jié)能、減少污染。

參考文獻(xiàn)

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薛潤林. 棉短絨大液比滲透小液比蒸煮制漿系統(tǒng)：中國, ZL 2014 2 0103511.1[P].2014-07-30.

[3]XUE Run-lin. Cotton Potassium Hydroxide Cooking Process[J].China Pulp & Paper, 2014, 33(10): 79.

(責(zé)任編輯：常青)