蒸球低温区的形成与应对措施

·蒸球制浆·

蒸球低温区的形成与应对措施

薛润林

(南京义友自控仪表有限公司,江苏南京,210042)

摘要：对蒸球在蒸煮时低温区的形成进行了分析研究,并提出了应对措施。结果表明,蒸球内碱液浸润后的棉短绒经上层和自身重力挤压出碱液从而形成低温区,使蒸球内温度分布不均匀,造成蒸煮不均匀。采用三通回转阀对流加温以及大液比浸透、小液比蒸煮的措施,可以消除蒸球内的低温区,增强蒸煮的均匀性,提高蒸煮产品质量。

关键词：低温区；对流加温；小液比；蒸煮

作者简介：薛润林先生，工程师；长期从事浆粕生产和自动化仪表方面的工作。

中图分类号：TS749+.4

文献标识码：A

文章编号：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

目前棉短绒浆、硝化纤维棉浆、精制棉浆、化纤溶解浆等一般都是采用蒸球进行蒸煮制浆,蒸球不仅用于造纸、化纤行业,还扩展到阿胶驴皮蒸煮、医药药材蒸煮和医用脱脂棉生产等。几十年来, 蒸球的使用范围有所扩大,蒸球加温方式及自动化程度有了一定的改进和提高。但是, 蒸球转动加温方式存在的先天不足没有得到有效改进。蒸球蒸煮时,从外部看,蒸球在运转,球内的浆料似乎与蒸球同步转动(蒸球运转，浆料在滑动)。但事实是,在蒸球转动加温过程中,大部分蒸汽未经过液相对流加温而直接进入蒸球上部的汽相空间, 形成上部温度高(汽相高温区)、下部温度低(液相低温区)的现象,上下温度相差20～30℃,蒸煮温度分布很不均匀,温度上的悬殊差异,直接造成蒸煮不均匀,间接降低产品质量。

笔者对蒸球蒸煮时低温区的形成进行了研究,并提出了应对措施，现总结如下，以供同行参考。

1蒸球低温区的形成分析

1.1压力浸透试验

通过以下试验(A试验、B试验),分析蒸球内低温区形成的主要原因,试验装置见图1。

图1　压力渗透试验示意图

在图1所示的A试验中：活塞面积50 cm2,重力5 kg,相当于50 cm2受到1 m水柱高的压力 。将25 g棉短绒,浸泡在100 mL常温水溶液中(0.1%YY-03渗透剂水溶液),搅拌数秒后,水溶液很快被均匀吸干净。此时将A试验 加压5 kg重力,棉短绒中的部分水被挤压出,液位上升,液位高出活塞环。棉短绒完全浸泡在水溶液中,此时,棉短绒的含水量减少,为分析棉短绒减水量的多少,进行了B试验。

在图1的B试验中,在活塞上方(活塞缸可用500 mL烧杯代用,活塞用400 mL烧杯代用)加压5 kg重力,棉短绒中的部分水被压出,5 min后,称得棉短绒质量为78 g,(78-25)÷25=2.12,棉短绒含水液比为1∶2.12。在B试验上部改加10 kg重力,压液5 min后,称得棉短绒质量为67 g，(67-25)÷25=1.68,棉短绒含水液比为1∶1.68,即加压5～10 kg重力,棉短绒含水液比为1∶2.12～1.68。

上述试验表明,在碱液中棉短绒所含的碱液量受到上层和自身重力的作用,使得棉短绒中的部分碱液被压出,压力增大,棉短绒含液量减小,挤压出的碱液量增多。

1.2高压锅蒸煮试验

以高压锅进行蒸煮棉短绒试验分析,试验示意图见图2。

图2　高压锅蒸煮示意图

图2中，棉短绒在高压锅内，同时采用茶漏杯(40目不锈钢丝网杯)和烧杯进行蒸煮。蒸煮后发现，在同样的工艺条件下, 茶漏杯蒸煮均匀性和去杂质效果要好于烧杯蒸煮。分析原因是上升的蒸汽可以从茶漏杯的底部、四周和上部进入, 温度上升快,蒸煮均匀性好。而烧杯蒸煮,烧杯底部和周围靠热传导进行加温, 棉短绒和碱液是热传导的不良导体, 温度上升速度较慢，上升的蒸汽返向从烧杯口进入,蒸汽不能穿透碱液面提高下部的温度,这样造成烧杯蒸煮的均匀性略有逊色。从茶漏杯与烧杯蒸煮分析来看，蒸球转动加温的先天不足是造成蒸球内温度分布不均匀的主要因素。

1.3蒸球蒸煮试验

2017年9月，海口市人民检察院经审查决定，依法对程立生以涉嫌受贿罪立案侦查并采取强制措施。2018年1月2日，程立生被检方提起公诉。

现以40 m3蒸球生产化纤浆进行蒸煮试验：投料绝干量4500 kg，用碱率16%，液比1∶4, 碱液浓度40 g/L,渗透剂YY-02(本公司产品)用量0.1%(棉短绒绝干量),碱液入球温度90℃,投料碱液量18 m3。

棉包经开棉、机械除杂后, 风送到旋风分离器与碱液充分搅拌和浸透后, 经螺旋压榨机、螺旋输送机进行装锅。投料1 h左右,上球盖,启动蒸球,空运转20 min,空运转结束时,球内浆料状态见图3。

图3　蒸球内碱液液位示意图

图3所示的蒸球40 m3,球内径4300 mm，蒸球下部的棉短绒要受到上层和自身重力产生向下的20 kPa左右的压力，部分碱液被压出 ,碱液位升到蒸球中轴线附近。

蒸球旋转方式,造成大部分蒸汽通过中通管和转动的篦子进入蒸球上部，而蒸球下部压力要大于上部汽相压0.03 MPa左右(底部压力=汽相压力+棉短绒3 m高度重力),蒸汽易流向压力较低的汽相空间，进入液相的蒸汽量自然会减少，造成蒸球内温度上高下低。球内温度分布示意见图4。

图4　蒸球内温度分布示意图

从图4可以看出，温度传感器PT100安装在蒸球内的中轴线上，蒸球空运转20 min后，进行100 min升温,升温过程中进行二次小放气,排除球内空气，防止假压的产生，第二次小放气后,球内饱和蒸汽压力升到0.7 MPa，进入保温阶段，0.7 MPa压力相对应的饱和蒸汽温度是170℃。温度传感器测量出的温度高低受到球内碱液入球量和蒸汽进入量的影响,液比大,进蒸汽量大,碱液位高。图4中，当液位升到A点的记录曲线是A、B、C匀处在碱液位上方汽相空间,测出的温度都是170℃,记录曲线平稳；碱液位在B点时，液位接近PT100，B点168℃, 碱液间断接触到PT100传感器，记录曲线出现小幅度波动，A点处在液相中,测出温度160℃,记录曲线波动较大,C点处在汽相空间，测出的是170℃汽相温度；当液位上升到C点时，C点温度168℃,B点160℃,A点145℃,记录曲线波动大。蒸球内的碱液位,造成液相温度偏低20～30℃,温度分布的不均匀,降低了蒸煮均匀性，从而降低蒸煮产品的质量。

2应对措施

针对蒸球低温区形成的分析，采取以下的应对措施，以提高蒸球内温度分布的均匀性。

2.1应用三通回转阀实现蒸球对流加温[1]

三通回转阀照片见图5,三通回转阀工作原理见图6。

三通回转阀安装在球内轴头处，随蒸球同步运行。当篦子运行到下方120°时,通蒸汽，进行对流加温，蒸汽自下而上加温低温区的液碱，碱液沸腾上升对流。当篦子离开下方120°时，停止加温。这样,周而复始地实现蒸汽连续不间断的对流加温。

图5　三通回转阀外形照片

图6　安装在蒸球内的三通回转阀工作原理示意图

三通回转阀安装在蒸球外轴头处，见图7。

图7　蒸球内的三通异型管布汽示意图

蒸球三通异型管布汽安装：从轴头把Φ200 mm×6 mm异型管插到蒸球内,分别从异型管引出三根DN100盘向管,在引管终端做三个通汽篦子,异型管外壁与球内壁焊接密封。三通回转阀在球外与三通异型管相通,实现回转阀的球外安装。回转阀安装调试完毕,启动蒸球,回转阀体随蒸球同步运行,当一个篦子运行到下方120°时,通蒸汽,进行对流加温,当篦子快要离开下方120°时,另一个篦子己进入下方120°,前一个篦子停止进汽,后一个篦子继续进汽,这样就实现了连续的对流加温,提高了球内温度分布均匀性,从而提高蒸煮的均匀性。

2.2采用大液比渗透小液比蒸煮的制浆工艺[2]

棉短绒用大液比进行渗透,可提高碱液渗透的均匀性,这是用大液比的好处；但大液比增加用碱量,又会增大球内低温区,降低蒸煮的均匀性,这是大液比存在的问题,因此,大液比只能用于渗透,不宜用于蒸煮。棉短绒在皂化脱脂,乳化去除杂质一系列化学反应中,只消耗不足1/3的碱量,也就是在棉短绒充分浸润的条件下,用小液比进行蒸煮制浆,既能节碱,又能提高蒸煮均匀性。因此,在渗透均匀的条件下,压出球中多余的碱液,是实现小液比蒸煮的重要措施。蒸球向外压碱液示意图见图8。

图8　蒸球向外压碱液示意图

如图8所示,其操作过程为：采用液比1∶5～6的大液比进行投料,棉短绒和碱液己占球内容积的3/4以上,投料后启动蒸球,同时向球内通入0.4～0.6 MPa压缩空气,浆料在刮板搅拌下,压缩空气的压力加快碱液向浆料和杂质的渗透,此时,棉籽壳碎片澎化变软,少量的油脂和木素被溶出,部分棉籽碎片边缘呈微黄色。压力渗透60 min后,蒸球停止在压黑液的位置。打开A阀,压出浆料中的碱液,压碱液20 min,使蒸球内液比降到1∶3～3.5。浆料内所吸附的碱液压不出来,在压碱液后,蒸球中放入塑料(橡胶)气囊(气囊相当于自行车的内胎,可承受高压),通入压缩空气0.05～0.1 MPa,气囊逐渐膨大挤压出浆料中的部分碱液,压碱液15～20 min,使液比在1∶1.5～2.0。压碱液结束,取出气囊,上好球盖,启动蒸球,进行升温、保温、放气、H2O2蒸漂,待蒸漂结束,开球盖倒料,蒸煮工艺结束。

大液比渗透、小液比蒸煮扩大了蒸球内汽相空间,提高了蒸球内温度分布的均匀性,即提高了蒸煮的均匀性,可节碱、节能、减少黑液量,降低污染[3]。

3结论

对蒸球在蒸煮时低温区的形成进行了分析研究，并提出了应对措施。

(1)蒸球几十年来的转动加温方式,是造成蒸球内温度分布不均匀的主要原因，采用三通回转阀可以实现蒸球对流加温,碱液进行自下而上沸腾对流循环,使上下温度趋向一致,克服了蒸球蒸煮的不足,提高了蒸球内温度分布的均匀性。

(2)蒸球内棉短绒在上部棉短绒的自重压力下,棉短绒所吸附的部分碱液被压出,压出的碱液在球内会形成一个逐渐增大的低温区,降低蒸煮的均匀性。棉短绒在皂化、乳化反应中, 只消耗不足1/3的碱量,过多的碱液不仅是浪费,而且会污染环境,棉短绒蒸煮采用大液比渗透、小液比蒸煮,相当于增加了一个湿法除杂过程,即提高了碱液渗透均匀性,又能排去部分杂质,可节碱、节能、减少污染。

参考文献

[1]Xue Run-lin, Liu Hong-xia, Xu Yong-zong, et al. A multi pass rotary valve: CN, ZL 201210210056. 0[P]. 2014-07-16.

薛润林, 刘红霞, 许永宗, 等. 一种多通迥转阀：中国,ZL 2012 1 0210056.0[P]. 2014-07-16.

[2]Xue Runlin. Cotton linter high liquid permeation liquid ratio than small cooking pulping system： CN,ZL 201420103511. 1[P]. 2014-07-30.

薛润林. 棉短绒大液比渗透小液比蒸煮制浆系统：中国, 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.

(责任编辑：常青)