一种置换式连续蒸煮方法及装置与流程
一种置换式连续蒸煮方法及装置与流程
本发明涉及制浆造纸、生物合成等。特别涉及利用纤维原料，通过对传统蒸煮系统的改变来生产高质量、低能耗、低化学品用量纤维浆的方法和设备，具体为一种置换式连续蒸煮方法及装置。
背景技术
制浆用纤维原料可分为木材纤维(含竹纤维)和非木纤维两大类。对于木材纤维(含竹纤维)，由于其滤水性好，目前有较为成熟、可靠的蒸煮方法，如卡米尔立式连续蒸煮中的改良连续蒸煮工艺(mcc)、延伸改良连续蒸煮技术(emcc)、低固形物蒸煮(lsc)及立锅间歇蒸煮中的快速置换蒸煮(rdh)、超级蒸煮及置换蒸煮(dds)等。对非木纤维来说，由于非木纤维原料平均纤维长度小、杂细胞含量高，则使得超级置换间歇蒸煮装置及等温塔式蒸煮装置的滤板在蒸煮装置中极易堵塞，无法用于非木纤维，如麦草、芦苇、蔗渣、红麻、龙须草、棉杆等原料。
非木纤维原料制浆蒸煮方式有传统的蒸球、蒸锅等间歇式蒸煮和管式连蒸系统连续蒸煮。传统的蒸球、蒸锅由于能耗、环保等问题已较少使用，管式连续蒸煮系统可采用汽相高温蒸煮，生产效率高、技术成熟、控制方便、设备结构紧凑、蒸煮时间短，是目前国内外普遍采用的非木原料制浆蒸煮技术，管式连续蒸煮系统也可用于木材纤维的制浆蒸煮。
与rdh、dds相比，管式连蒸系统单位体积的产浆量高、投资省、原料的适应性广，但该技术也存在不足：相对置换蒸煮来说，汽耗相对偏高、化学药品的利用率偏低；而且，由于在蒸煮过程中液比较低、蒸煮反应剧烈，蒸煮成的草浆强度低、滤水性差。
有些学者和企业利用间歇置换蒸煮系统中的rdh间歇蒸煮技术、超级蒸煮方法，对稻草、麦草纤维等非木纤维进行了大液比蒸煮工艺的试验和生产。利用该工艺和设备可实现在缓和的反应条件下，分层次地脱出木素，可制成浆色浅、滤水性好、得率高、强度好的禾草类纸浆。但该系列工艺为类木浆工艺，由于非木纤维的滤水性和流动性较差，用该工艺方法蒸煮非木纤维时，容易堵塞滤网、且纤维蒸煮不匀。
zl201010227189.x“非木材纤维连续蒸煮方法及装置”，提供了一种间歇置换蒸煮与横管连蒸结合的蒸煮方法，其特点为：在传统的横管连续蒸煮装置的蒸煮管上设置抽吸滤板，使蒸煮液可通过滤板抽出后经外部换热器加热后重新打入蒸煮装置中，实现置换加热蒸煮的目的。该节能型非木纤维连续蒸煮装置可使吨浆的汽耗、能耗、化学药品降低，并可改善浆的质量。但该专利发明通过外置的槽罐和加热器加热黑液进行循环使用，通rds、dds等间歇置换蒸煮流程类似，设备配套及控制复杂。
试验及实际结果表明，虽然间歇置换蒸煮在木浆与竹浆纤维上得到了广泛应用，用于非木纤维蒸煮时，具有可以提高纸浆的质量、降低浆的硬度，其蒸过程中黑液可以多次重复回用，且可节能、降低排污和有益于环保等优点，但由于草类原料的料片较小、滤水性差、在蒸煮升温过程中过早软化等原因，造成堆积密度增加、因过滤阻力增大而难于置换，蒸煮液会在密度较低处发生短路，造成原料温度不均、蒸煮匀一性差等一系列问题，因而目前仍然无法进行大规模的连续生产。
同时，置换蒸煮技术如卡米尔立式连续蒸煮、dds蒸煮等高昂的投资费用、复杂的自动化控制以及后续较高的维护费用等，使得中小制浆企业也难于承受，只得选择能耗高、开放式废气排放的蒸球、蒸锅等传统间歇蒸煮方法或管式连续蒸煮的蒸煮方法，制约企业的发展。
技术实现思路
为了克服上述制浆方式的缺陷，本发明提出一种逆流置换式连续蒸煮方法及装置，该制浆方法及装置在保留管式连续蒸煮系统优点的同时，充分吸收rds、dds等蒸煮系统的制浆特点，可实现在缓和的反应条件下，分层次地脱出木素。即：在管式连续蒸煮系统中设置预浸设备，纤维原料先利用蒸煮后的浓黑液进行浸渍预处理、预抽提，然后再进行汽相蒸煮，使黑液得到了循环再利用，可实现在缓和的反应条件下，分层次地脱出木素。在高效率连续生产的同时，可大幅度减少蒸汽和药品消耗、降低黑液处理对环保的压力、改善浆的质量，制成浆色浅、滤水性好、得率高、强度好的纸浆。同时由于本蒸煮装置是连续式，与间歇式蒸煮相比，同规模情况下，所需的泵类及槽罐、泵类、热交换器等设备可大大节省。
本发明的逆流置换式连续蒸煮方法及装置是通过以下的技术方案实现的：
对常规管式连蒸装置的结构及蒸煮工艺进行全新设计，即：在常规管式连蒸装置中的喂料器和蒸煮管之间根据不同纤维原料、不同蒸煮工艺的需要，串联安装一到多个预浸管、各预浸管内配置输送链板或螺旋，把连续蒸煮系统的蒸煮过程分为预浸段和蒸煮段两部分。原料纤维进入连蒸系统后开始与蒸煮药液或黑液接触、吸收液体、纤维抽提物溶出的阶段为蒸煮过程的预浸段，原料纤维在高温、高药液浓度下蒸煮成浆的阶段为蒸煮过程的蒸煮段。原料纤维蒸煮时，先利用蒸煮后的浓黑液对原料纤维进行预浸，以充分利用黑液中的残留药液和热量，然后在预浸段的后部利用较高药浓的蒸煮药液对预浸原料纤维携带的黑液进行置换，置换蒸煮液后的原料纤维进入蒸煮过程的蒸煮段，蒸煮段的原料纤维在较高温度和药液浓度下快速蒸煮成浆。根据蒸煮工艺的需要，进行两级或多级蒸煮。
两级蒸煮时，把蒸煮段产生的浓黑液送入预浸段的连蒸设备内，利用黑液中的热量和残余有效药液对进入连蒸系统的纤维进行预浸，预浸纤维原料后的黑液，在预浸段经过连蒸设备附带的滤网过滤后排出连蒸系统，送往黑液处理或回用工序；在预浸段的后部加入较高药浓的蒸煮液，对经过预浸后原料纤维携带的黑液进行置换，携带较高药浓的原料纤维进入蒸煮段，在蒸煮段蒸煮成浆，蒸煮成浆后产生的浓黑液送入预浸段的连蒸设备内，开始下一个黑液循环。
多级蒸煮时，预浸段由两级或两级以上的预浸组成。首先把经过蒸煮段蒸煮产生的黑液送入预浸段最后一级的预浸设备内，利用黑液中的热量和残余有效药液对最后一级预浸设备内的纤维进行预浸后，经预浸设备的滤网过滤后再进入上一级预浸设备内的纤维进行预浸，依次类推，经过多次预浸后的黑液最终从预浸段的预浸设备排出，送往黑液处理或回用工序；原料纤维在预浸段的后部加入较高药浓的蒸煮液，对原料纤维携带的黑液进行置换，携带较高药浓的原料纤维进入蒸煮段、在蒸煮段蒸煮成浆，蒸煮成浆后产生的浓黑液送入预浸段最后1级预浸段的连蒸设备内，开始下一个黑液循环。
上述两级或多级蒸煮，可在预浸前串联安装预抽提装置，预抽提装置通入热水或一定浓度的药液对进入连蒸装置的原料纤维进行预抽提，抽提液送往抽提液处理工序。
所述的蒸煮方法采用的是管式连蒸装置，主要由喂料装置、相互连通的两个或多个串联安装的管式蒸煮器、卸料器组成；根据蒸煮原料和工艺的需要，蒸煮器可配装有进液口、进汽口、排液口、温度压力等仪表接口。
所述的蒸煮方法采用的是管式连蒸装置，主要由喂料装置、相互连通的两个或多个串联安装的管式蒸煮器、中间管、卸料器组成，管式蒸煮器内配置输送链板或螺旋，带有连续排液口的蒸煮器在连续排液口位置的部位配置有带网孔的滤板或篦子。相邻蒸煮器内的黑液或蒸煮液之间直接连通或通过管路及输送泵间接连通。
蒸煮时，先利用浓黑液中的残碱和热量对预浸的纤维原料进行单级或多级预浸，然后利用蒸煮液将原料纤维上吸附的黑液置换；置换蒸煮液后的原料纤维进入蒸煮器，在较高温度、压力下进行快速蒸煮成浆，成浆后的纤维经中间管和卸料器或直接经卸料器排出。经过对原料纤维的预浸、具有较高固形物含量的浓黑液经蒸煮器滤板或篦子过滤后，在系统内的压力下排出，被送往蒸发或其它黑液处理工序。
蒸煮器的基本结构与常规管式连蒸系统的横管或斜管基本一致，均为具有搅拌、输送功能的管壳式压力容器，承压壳体内装有输送螺旋或输送链板；与常规管式连蒸系统的横管或斜管不同之处在于，本技术方案的部分或全部蒸煮器带有连续排液口，带有连续排液口蒸煮器的排液口部位装有滤板或过滤篦子，篦子或滤孔的外周接通排液管。根据纤维种类、蒸煮工艺的需要，连续蒸煮装置内的预浸段和蒸煮段蒸煮器可全部采用横管或斜管式蒸煮器、或者采用部分横管及部分斜管进行组合；蒸煮器的数量根据具体工艺的需要，从两根到多根进行串联配置。
利用非木纤维对药液吸收较快，蒸煮前期在80～100℃的温度、较低的药液浓度下即可脱除大部分木素及抽提物，蒸煮后期需要相对较高的药浓防止脱除的木素重新吸附的特点；结合木片(含竹片)超级置换间歇蒸煮装置、等温塔式蒸煮装置的制浆优点；在预浸段加入蒸煮后浓黑液对原料纤维进行预浸和预抽提。对原料纤维预浸、抽提后的浓黑液经带有网孔的滤板或篦子过滤后，送往黑液处理或回用工序。
预浸时，来自喂料器的纤维原料在预浸管内一边被输送、一边脱除木素和其它抽提物，先利用浓黑液中的残碱和热量对预浸的纤维原料进行预抽提，然后利用蒸煮液将溶出部分抽提物后原料纤维上吸附的黑液替换。在此过程中，预浸前段的浓黑液和后段的蒸煮液逐渐混合，混合液中的药液浓度逐渐增高，纤维中的木素及其它可溶物含量逐渐减少，脱除大部分木素和抽提物后，在预浸段的后段，蒸煮液对纤维吸附的黑液进行置换。然后，吸附较高药浓蒸煮液的原料纤维进入横管进行下一步的汽相蒸煮工序，原料纤维在横管汽相蒸煮后，经中间管和卸料器排出。
经过对原料纤维的预浸、抽提，具有较高抽提物含量的浓黑液经带有网孔的滤板或篦子过滤后，在系统内的压力下被送往蒸发或其它黑液处理工序。预浸段原料的输送方向和黑液的流动方向相反，以尽可能的消耗黑液中的药液和提高排出黑液的抽提物浓度。
预浸管上的滤板或篦子，需特殊设计，滤孔面积根据浆种、工艺和蒸煮液比计算确定。滤板或篦子与预浸管内链板或螺旋外径之间的间歇较小，靠移动的链板或旋转的螺旋对滤板或篦子进行自清洁，必要时可布置反冲管进行反冲洗强制清洁。各滤板强制清洁的周期与时间可在自动控制系统中设定。
本发明在蒸煮过程的前期利用蒸煮后的浓黑液在预浸管对原料进行预浸、在蒸煮过程的后期利用较高药浓的蒸煮液脱除残余的木素，预浸时的液比较大，利于纤维中抽提物的溶出，可大量回收、消耗黑液中的残药量和热量，有效降低整个蒸煮过程中的药耗和汽耗；同时提取的黑液浓度较高，有利于降低黑液处理的成本。经过黑液和混合液均匀温和的浸渍和低温预蒸煮，纤维蒸煮后的质量较好且比较均匀。该连续蒸煮装置通过选配不同的喂料装置，可应用于各种不同纤维原料，尤其是非木木材纤维的制浆蒸煮。
本发明的逆流置换式连续蒸煮方法及其装置，其干湿法备料及计量等系统的主辅设备完全与传统的管式连续蒸煮装置相同，其自动控制系统是在管式连续蒸煮装置的dcs控制系统上扩展而成，其蒸煮过程的前期预浸阶段的液比与超级置换间歇蒸煮装置、等温塔式蒸煮装置的制浆方式相当，利于原料纤维中的木素和其它抽提物的溶出；蒸煮过程的后期蒸煮阶段可采用类似管连续蒸煮装置1∶3.5左右的液比，由于预浸阶段已脱除大部分木素及抽提物，蒸煮阶段可大幅度减少蒸汽和蒸煮液的消耗。
本发明将置换蒸煮与管式连续蒸煮技术相结合，形成植物纤维原料连续蒸煮的工业新方法，工艺装置结构紧凑、布局合理、自动化程度高，结合了多种蒸煮工艺的技术优势，不仅可提高蒸煮的匀均性和纸浆的质量，改善成浆的硬度及可漂性，而且重复利用黑液中的化学成份、蒸煮热量，减少用碱量及蒸汽消耗，提取黑液的浓度高，有利于药液回收系统的生产运行，蒸煮能耗低，投资省，具有较好的节能，环保效果。