橫管式連續蒸煮裝置的蒸煮管結構與設計李良偉輕工業杭州機電設計研究院摘要：在橫管式連續蒸煮裝置中，蒸煮管關系到系統的可靠性、產能和成漿質量，是十分重要的組成部份。本文介紹蒸煮管的結構和規格參數計算，并對螺旋軸等主要部件的設計問題進行討論，希望有助于蒸煮管的設計和技術改造工作。關鍵詞：橫管連蒸；蒸煮管；螺旋軸；結構與設計；橫管式連續蒸煮裝置是非木材纖維原料制漿的主要設備，既可用于化學、半化學及生物制漿，又能用于化機漿和生物機械漿的預處理。按制漿系統產能不同，在一套橫管式連續蒸煮裝置中，通常需要配置一至四根相同規格的蒸煮管，這些蒸煮管之間大多采用上下串聯疊置的組成方法。纖維原料先由螺旋喂料器送入第一根蒸煮管，隨后受到螺旋葉片的推動與攪拌，在緩慢的行進中與藥液充分混合，同時被通入蒸煮管內的壓力蒸汽加溫或者保溫。在一定溫度下，物料按照工藝預定的制漿反應時間，依次通過各根蒸煮管，直至最后一根管的出料口排出，完成浸漬和蒸煮過程。123456789101112蒸煮管通常為一類壓力容器，其結構示意圖如圖1所示，主要由筒體、端蓋、螺旋軸、軸承座、鞍座、進料管、出料管、進汽管、備用排汽管、儀表接口、維護(觀察)孔、傳動裝置等部份組成。蒸煮管的規格參數1234567891011121．端蓋2．備用排汽管3．儀表接口4．維護(觀察)孔5．進料口6．傳動鏈輪7．軸承座8．出料口9．筒體10．進汽管11．鞍座12．螺旋軸圖1蒸煮管結構示意圖橫管式連續蒸煮裝置的產能與蒸煮管的容積成比例，浸漬和蒸煮必需的有效總容積按下式計算：V=QT/1.44aYψ，式中：V－有效總容積（m3）；Q－絕干粗漿量（t/d）；T－工藝要求的蒸煮時間（min）；a－物料在蒸煮過程中的平均密度（Kg/m3）；Y－粗漿得率；ψ－物料在蒸煮管內的填充系數。單根蒸煮管的有效容積（蒸煮管內徑與有效長度所構成的空間）可按式Ve≥V/Z計算，式中：Ve－單根蒸煮管的有效容積（m3）；Z－蒸煮管根數，確定Ve值后就可選定蒸煮管規格，并確定蒸煮管內徑D和有效長度L值。隨著蒸煮的深入，物料在各蒸煮管內的密度會不斷加大，最后一根蒸煮管里的密度約比第一根蒸煮管內增大20-50%。物料在螺旋喂料器料塞管里的密度約為500-600kg/cm3，離開料塞管經過擴散管時的密度約為240kg/cm3左右，各種物料在進入第一根蒸煮管時的密度各不相同，一般木材、竹子：185-215kg/m3；蘆葦、麥草：160-195kg/m3，同一種不同產地物料的密度也有所差別。物料在某一根蒸煮管內的蒸煮時間可按下式計算：Tn=1.44VenYψ/Q，式中：Tn－某一根蒸煮管的蒸煮時間（min）；n－某一根蒸煮管內的物料密度（Kg/m3），各根蒸煮管的蒸煮時間總和應大于工藝要求的蒸煮時間，即Tn≈(1-1.2)T。蒸煮管的筒體由鋼板卷焊而成，筒體的結構與厚度須按照壓力容器的相關技術規范進行設計，筒體上焊接的進、出料管屬于大開孔結構，應按壓力容器大接管開孔補強設計規定對筒體兩端進行整體補強處理，并且進、出料管的直徑不得大于筒體直徑的0.8倍。為阻礙物料在蒸煮管內隨螺旋軸轉動，防止打滑現象，通常在蒸煮管筒體下部約160°范圍內沿軸向焊接4條高度為10-15mm的防滑條。為了向蒸煮管內通入蒸汽加熱物料，還須在筒體上焊接一組進汽管，進汽管通常焊接在筒體下側，進汽方向順著螺旋軸的回轉方向，并朝向筒體底部。蒸煮管的端蓋一般采用平蓋板結構，隨著產能的擴大，蒸煮管的規格也不斷擴大，對于DN1500mm規格的蒸煮管來說，當蒸煮壓力為0.7MPa時，端蓋的厚度達90mm左右，為了節省材料和便于加工，端蓋也可采用在平蓋板上焊加強筋的結構形式，如圖2所示，但這類結構的強度計算較為麻煩。螺旋軸是蒸煮管的主要部件其結構和尺寸是否合理與蒸煮管的使用性能密切相關。螺旋軸上螺旋葉片的外徑應比筒體內徑小40-60mm（間隙20-30mm），螺旋葉片螺距與螺旋軸轉速可按照下式圖2蒸煮管端蓋計算n=L/Tn式中S－螺旋葉片螺距（m）；n－螺旋軸轉速（r/min）。由于物料在各根蒸煮管中的密度不斷增加，使得蒸煮時間也不斷延長，所以在螺距相同的情況下，應將各根蒸煮管的螺旋軸設置成不同的轉速，一般呈先快后慢的狀態。在實際生產中，蒸煮管螺旋軸的轉速大多在2r/min左右。螺旋葉片螺距與螺旋軸轉速、扭矩和物料受力相關，應大小適宜，原Sunds公司DN1200mm規格的螺距為406mm；DN1350mm和DN1500mm規格的螺距為410mm，原Pandia公司DN1200mm規格的螺距為406mm；DN1350mm規格的螺距為457mm；DN1500mm規格的螺距為508mm。蒸煮管的螺旋軸屬于大跨距結構，其設計具有一定特特殊性，通常螺旋葉片的芯軸采用整根無縫鋼管制作，芯軸直徑大小除滿足常規機械強度條件外，還必須同時滿足以下三個約束條件：1．在芯軸處物料受到推進方向的軸向力，據此可推導出下式：d＞0.32fS，式中：d－螺旋葉片的芯軸外徑（m）；f－物料與螺旋葉片之間的動摩擦系統。2．綜合撓度和機加工誤差，螺旋軸安裝后，螺旋葉片與筒體防滑條之間的最小間隙保持在3-8mm。3．螺旋軸自然撓曲后，螺旋軸的最大撓度值應小于蒸煮管軸承跨距的0.0005倍。根據經驗，按上述條件計算確定的芯軸直徑約為螺旋葉片外徑的0.28-0.38倍。螺旋軸上的螺旋葉片有多種布置形式，最常用的是等直徑等螺距形式，采用這種形式，物料在蒸煮管內的填充系數可達60-65%左右，原Sunds公司最先采用變直徑變螺距的螺旋葉片布置形式，這樣，物料在蒸煮管內的填充系數可達75%左右。但蒸煮管內的填充系數也不能太高，最高不得超過80%,填充系數過高會造成蒸汽流動不暢，紙漿夾生，成漿不均等現象，甚至引起螺旋軸軸向串動。變徑變距螺旋葉片的典型形式如圖3所示。圖3變徑變距螺旋葉片螺旋軸的支承軸承大多采用雙列調心滾子軸承，螺旋軸推進物料的原理與螺旋輸送機一致，因此從理論上說，螺旋軸并不需要配置推力軸承，但當填充系數過高，或蒸煮管使用多年，嚴重結垢后，有時會產生螺旋軸軸向串動現象，為防止這一現象發生，需在螺旋軸的一端配置組合軸承，組合軸承可由雙列調心滾子軸承加推力球軸承或一對推力調心滾子軸承組成，此外，為使螺旋軸在正常工作中受到的軸向力為拉應力，而不是壓應力，改善受力情況，推力軸承應安裝在蒸煮管出料端的軸承座處。蒸煮管的傳動裝置一般采用鏈傳動結構，由減速電機通過鏈輪和鏈條帶動螺旋軸回轉，這使螺旋軸的裝拆、維護都比較方便，并可節省蒸煮管長度方向的安裝空間，使蒸煮管的布置更緊湊，而且螺旋軸大多以2r/min左右的低速度旋轉，采用鏈傳動形式可簡化結構，降低造價。參考文獻〔1〕SundsDefibrator，Digesterequipment．設備維修資料，1987，2．〔2〕中國輕工總會編，輕工業技術裝備手冊．第1卷〔M〕．機械工業出版社，1995．〔3〕張永剛，麥草干濕法結合備料和連續蒸煮的使用〔J〕．北方造紙，1995，1：30-32．〔4〕邢益標，橫管連續蒸煮器連續運轉的基本條件〔J〕．中國造紙，1997，4：1-8．〔5〕劉文軍，麥草制漿生產線的設計實踐〔J〕．中國造紙，2003，1：30-32．〔6〕趙富強，連蒸在草漿生產中的應用及設計應注意的問題〔J〕．紙和造紙，2005，8：16-18．〔7〕李永峰，桑彥杰，130t/d麥草漿橫管連蒸系統生產經驗〔J〕．中國造紙，2005，8：64-66．〔8〕陳志浩，150t/d橫管連蒸麥草漿設備特點及生產經驗淺談〔J〕．湖南造紙，2008，1：11-12．〔9〕張云奎，魏建設，姜偉，王愛卿，付更新，覃剛，150t/d麥草制漿線連蒸系統的優化及故障處理〔J〕．中華紙業，2010，18：57-60．杭州輕工業裝備設計－制漿造紙設備新技術李良偉造紙工業已進入薄利競爭時代，采用經濟實用的先進設備，在提高產品質量時努力實現節能降耗，提高綜合效益，是造紙廠設備管理的新課題，也將成為造紙機械廠的新機遇。一．制漿備料設備1．大規格（200-10002．與100-800噸/天制漿產能相配套的草片、葦片、木片等原料的水洗設備和螺旋脫水設備。3．木片盤篩、木片搖擺篩。4．水力碎草機。5．立式或臥式甘蔗渣除髓機。二．連續制漿成套裝備1．100-300噸/天制漿產能，以草片、葦片、棉桿、甘蔗渣等非木材纖維為原料的橫管連續蒸煮成套設備。該成套裝備主要由銷鼓計量器、預熱汽蒸器、螺旋喂料器、T形管、蒸煮管、帶噴放閥的卸料器等單體設備組成。2．100-800噸/天制漿產能，以竹片、木片等為原料，采用管式壓力浸漬和帶壓磨漿的CTMP制漿成套裝備。3．APMP制漿成套裝備。4．生物制漿、生物質精煉管式預處理裝置。三．紙漿封閉式熱篩選系統1．壓力除節機。2．節能型中濃壓力篩。3．洗節機和洗渣機。4．聯合除節篩聯合除節篩將壓力除節機與中濃壓力篩組合成一體，具有壓力除節機和中濃壓力篩雙重功能。5．壓力式黑液過濾機。四．紙漿漂白設備1．脫氣、泵送一體化，自帶脫氣裝置的高揚程中濃漿泵。2．中濃混合器、高濃混合器。3．中濃氧氣漂白塔。4．中濃二氧化氯漂白塔。5．高濃過氧化氫漂白塔。6．中濃貯漿塔。五．紙漿洗滌、濃縮設備1．重力盤式濃縮機。2．多盤真空過濾機。3．高速洗漿機。4．斜螺旋濃縮機。5．雙輥擠漿機。6．高效螺旋擠漿機參考國外公司的最新結構形式，采用均勻緩壓、雙向強化脫水及氣控加載技術，脫水效果好，出漿濃度高，可滿足新聞紙漿等各類紙漿的濃縮要求，另外，還對螺旋軸采取可靠的耐磨保護，有效提高設備的使用壽命。7．雙網擠漿機雙網擠漿機分為雙壓區擠漿機、五壓區擠漿機和六壓區擠漿機三種結構形式。雙壓區擠漿機的出漿濃度可達35%左右，主要用于紙漿濃縮。五壓區擠漿機和六壓區擠漿機屬于強力型脫水設備，出漿濃度高達50%左右，通常作為濕漿板機使用，這種新型濕漿板機結構簡單，能耗省，僅一臺設備就可代替老式濕漿板機的多臺設備。六．廢紙碎解系統1．高效節能低濃水力碎漿機（偏心轉子碎漿機）高效節能碎漿機與國外公司的最新結構一致，轉子位于圓筒形漿槽的偏心位置，并配套最先進的節能型葉輪，碎漿濃度可達8%，動力消耗比普通葉輪降低15-30%，另外，該葉輪采用分體式結構，便于維護及裝拆，并在迎漿面上裝設耐磨合金條，有效提高使用壽命。2．高濃水力碎漿機。3．轉鼓碎漿機。4．濕損紙碎漿機、干損紙碎漿機。5．濕強紙專用碎漿機。6．廢紙碎解輔助設備(a)．廢紙包散包機。(b)．雜質分離機、紙漿粗選機。(c)．圓筒篩漿機。(d)．絞繩機和切繩機。(e)．纖維分離機。(f)．紙漿疏解泵。七．廢紙漿篩選設備1．節能型粗篩（中濃壓力篩）節能型粗篩分為升流式和降流式二種結構形式，配用最先進的節能型轉子，可顯著降低粗篩的動力消耗。以m2規格為例，配用電機功率僅75-90KW。2．節能型精篩節能型精篩分為內流式和外流式二種結構形式，采用不同型式的高效能轉子，既可改善篩漿效果，又能節省動力消耗。3．節能型纖維分級篩。4．雙鼓網前篩、內流網前篩。5．輕渣分離機（蘋果篩）。6．排渣分離機（尾渣分選機）。7．復式尾渣篩復式尾渣篩參考國外公司的最新形式，采用升流式結構，漿渣先在篩子底部經過疏解處理，然后沿著篩鼓上升，進行篩選和淘洗，最后再將剩余的塑料片等輕雜質從篩子頂部排出機外，排渣濃度可達15-30%，且排渣時不會帶出紙漿纖維。8．雙效纖維分級篩雙效纖維分級篩是一種新型復合型壓力篩，兼有纖維分級和長纖維或中長纖維精篩選雙重功能。用一臺雙效分級篩代替常規的普通分級篩和長纖維或中長纖維精篩二臺設備，既可簡化流程，節省設備占地面積，又能減少中間漿池、漿泵配置，降低動力消耗。9．雙段中濃壓力篩雙段中濃壓力篩是一種新型復合型壓力篩，集成了一段篩選和尾漿二段篩選雙重功能。用一臺復合型雙段中濃篩代替常規的獨立型一段篩和二段篩二臺設備，既可簡化流程，節省設備占地面積，又能減少中間漿池、漿泵配置，降低動力消耗。八．廢紙漿浮選脫墨設備1．立式（封閉式）浮選脫墨槽。2．臥式（油罐式）浮選脫墨槽。臥式浮選脫墨槽分為ECC和SFL二種結構型式，分別參考國外二家著名公司的結構形式進行設計，均采用高效的階梯擴散式氣泡發生器及先進的多級多段組合形式，具有進漿壓頭低，動力消耗省，脫墨效果好，纖維流失少的顯著優點。九．廢紙漿盤式熱分散系統1．螺旋擠漿機或雙網擠漿機。2．疏松螺旋。3．料塞螺旋。4．螺旋預熱器。5．盤式熱分散機盤式熱分散機參考國外公司的先進形式，優化主軸、軸承及其密封結構，提高設備精度，并配置位移精度達0.01mm的先進電—液伺服十．造紙廠廢水、污泥處理設備1．凈水篩凈水篩采用立式結構，利用篩鼓旋轉所產生的離心力，結合微孔篩鼓的機械微濾作用，以過濾和篩選的方式將廢水里的細小纖維等雜物分離出來，達到凈化廢水，并循環使用的目的，而且這一過程無需使用化學藥品或添加長纖維漿。凈水篩主要用于衛生紙機和特種紙機的白水回收，也可用于紙廠的綜合廢水處理。當白水經過凈水篩處理后，細小纖維加入到抄前漿池，凈化后的白水則直接用于紙機及洗滌、濃縮等設備的洗網和噴淋，不會產生噴嘴堵塞現象，從而大幅降低紙機水耗。凈水篩結構簡單，造價低廉，占地面積小，能耗省，通常配用電機功率僅2.2-5.5KW。2．微浮選凈水機。微浮選凈水機采用部分回流的方式和加壓溶氣的原理產生微浮選效果，廣泛用于紙機白水回收和紙廠的綜合廢水處理。微浮選凈水機的主機呈圓柱狀，并結合了氣浮和斜板澄清二種凈水模式，具有凈水效