横管式连续蒸煮装置的蒸煮管结构与设计

横管式连续蒸煮装置的蒸煮管结构与设计李良伟轻工业杭州机电设计研究院摘要：在横管式连续蒸煮装置中，蒸煮管关系到系统的可靠性、产能和成浆质量，是十分重要的组成部份。本文介绍蒸煮管的结构和规格参数计算，并对螺旋轴等重要部件的设计问题进行讨论，希望有助于蒸煮管的设计和技术改造工作。关键词：横管连蒸；蒸煮管；螺旋轴；结构与设计；横管式连续蒸煮装置是非木材纤维原料制浆的重要设备，既可用于化学、半化学及生物制浆，又能用于化机浆和生物机械浆的预解决。按制浆系统产能不同，在一套横管式连续蒸煮装置中，通常需要配置一至四根相同规格的蒸煮管，这些蒸煮管之间大多采用上下串联叠置的组成方法。纤维原料先由螺旋喂料器送入第一根蒸煮管，随后受到螺旋叶片的推动与搅拌，在缓慢的行进中与药液充足混合，同时被通入蒸煮管内的压力蒸汽加温或者保温。在一定温度下，物料按照工艺预定的制浆反映时间，依次通过各根蒸煮管，直至最后一根管的出料口排出，完毕浸渍和蒸煮过程。123456789101112蒸煮管通常为一类压力容器，其结构示意图如图1所示，重要由筒体、端盖、螺旋轴、轴承座、鞍座、进料管、出料管、进汽管、备用排汽管、仪表接口、维护(观测)孔、传动装置等部份组成。蒸煮管的规格参数1234567891011121．端盖2．备用排汽管3．仪表接口4．维护(观测)孔5．进料口6．传动链轮7．轴承座8．出料口9．筒体10．进汽管11．鞍座12．螺旋轴图1蒸煮管结构示意图横管式连续蒸煮装置的产能与蒸煮管的容积成比例，浸渍和蒸煮必需的有效总容积按下式计算：V=QT/1.44aYψ，式中：V－有效总容积（m3）；Q－绝干粗浆量（t/d）；T－工艺规定的蒸煮时间（min）；a－物料在蒸煮过程中的平均密度（Kg/m3）；Y－粗浆得率；ψ－物料在蒸煮管内的填充系数。单根蒸煮管的有效容积（蒸煮管内径与有效长度所构成的空间）可按式Ve≥V/Z计算，式中：Ve－单根蒸煮管的有效容积（m3）；Z－蒸煮管根数，拟定Ve值后就可选定蒸煮管规格，并拟定蒸煮管内径D和有效长度L值。随着蒸煮的进一步，物料在各蒸煮管内的密度会不断加大，最后一根蒸煮管里的密度约比第一根蒸煮管内增大20-50%。物料在螺旋喂料器料塞管里的密度约为500-600kg/cm3，离开料塞管通过扩散管时的密度约为240kg/cm3左右，各种物料在进入第一根蒸煮管时的密度各不相同，一般木材、竹子：185-215kg/m3；芦苇、麦草：160-195kg/m3，同一种不同产地物料的密度也有所差别。物料在某一根蒸煮管内的蒸煮时间可按下式计算：Tn=1.44VenYψ/Q，式中：Tn－某一根蒸煮管的蒸煮时间（min）；n－某一根蒸煮管内的物料密度（Kg/m3），各根蒸煮管的蒸煮时间总和应大于工艺规定的蒸煮时间，即Tn≈(1-1.2)T。蒸煮管的筒体由钢板卷焊而成，筒体的结构与厚度须按照压力容器的相关技术规范进行设计，筒体上焊接的进、出料管属于大开孔结构，应按压力容器大接管开孔补强设计规定对筒体两端进行整体补强解决，并且进、出料管的直径不得大于筒体直径的0.8倍。为阻碍物料在蒸煮管内随螺旋轴转动，防止打滑现象，通常在蒸煮管筒体下部约160°范围内沿轴向焊接4条高度为10-15mm的防滑条。为了向蒸煮管内通入蒸汽加热物料，还须在筒体上焊接一组进汽管，进汽管通常焊接在筒体下侧，进汽方向顺着螺旋轴的回转方向，并朝向筒体底部。蒸煮管的端盖一般采用平盖板结构，随着产能的扩大，蒸煮管的规格也不断扩大，对于DN1500mm规格的蒸煮管来说，当蒸煮压力为0.7MPa时，端盖的厚度达90mm左右，为了节省材料和便于加工，端盖也可采用在平盖板上焊加强筋的结构形式，如图2所示，但这类结构的强度计算较为麻烦。螺旋轴是蒸煮管的重要部件其结构和尺寸是否合理与蒸煮管的使用性能密切相关。螺旋轴上螺旋叶片的外径应比筒体内径小40-60mm（间隙20-30mm），螺旋叶片螺距与螺旋轴转速可按照下式图2蒸煮管端盖计算n=L/Tn式中S－螺旋叶片螺距（m）；n－螺旋轴转速（r/min）。由于物料在各根蒸煮管中的密度不断增长，使得蒸煮时间也不断延长，所以在螺距相同的情况下，应将各根蒸煮管的螺旋轴设立成不同的转速，一般呈先快后慢的状态。在实际生产中，蒸煮管螺旋轴的转速大多在2r/min左右。螺旋叶片螺距与螺旋轴转速、扭矩和物料受力相关，应大小适宜，原Sunds公司DN1200mm规格的螺距为406mm；DN1350mm和DN1500mm规格的螺距为410mm，原Pandia公司DN1200mm规格的螺距为406mm；DN1350mm规格的螺距为457mm；DN1500mm规格的螺距为508mm。蒸煮管的螺旋轴属于大跨距结构，其设计具有一定特特殊性，通常螺旋叶片的芯轴采用整根无缝钢管制作，芯轴直径大小除满足常规机械强度条件外，还必须同时满足以下三个约束条件：1．在芯轴处物料受到推动方向的轴向力，据此可推导出下式：d＞0.32fS，式中：d－螺旋叶片的芯轴外径（m）；f－物料与螺旋叶片之间的动摩擦系统。2．综合挠度和机加工误差，螺旋轴安装后，螺旋叶片与筒体防滑条之间的最小间隙保持在3-8mm。3．螺旋轴自然挠曲后，螺旋轴的最大挠度值应小于蒸煮管轴承跨距的0.0005倍。根据经验，按上述条件计算拟定的芯轴直径约为螺旋叶片外径的0.28-0.38倍。螺旋轴上的螺旋叶片有多种布置形式，最常用的是等直径等螺距形式，采用这种形式，物料在蒸煮管内的填充系数可达60-65%左右，原Sunds公司最先采用变直径变螺距的螺旋叶片布置形式，这样，物料在蒸煮管内的填充系数可达75%左右。但蒸煮管内的填充系数也不能太高，最高不得超过80%,填充系数过高会导致蒸汽流动不畅，纸浆夹生，成浆不均等现象，甚至引起螺旋轴轴向串动。变径变距螺旋叶片的典型形式如图3所示。图3变径变距螺旋叶片螺旋轴的支承轴承大多采用双列调心滚子轴承，螺旋轴推动物料的原理与螺旋输送机一致，因此从理论上说，螺旋轴并不需要配置推力轴承，但当填充系数过高，或蒸煮管使用数年，严重结垢后，有时会产生螺旋轴轴向串动现象，为防止这一现象发生，需在螺旋轴的一端配置组合轴承，组合轴承可由双列调心滚子轴承加推力球轴承或一对推力调心滚子轴承组成，此外，为使螺旋轴在正常工作中受到的轴向力为拉应力，而不是压应力，改善受力情况，推力轴承应安装在蒸煮管出料端的轴承座处。蒸煮管的传动装置一般采用链传动结构，由减速电机通过链轮和链条带动螺旋轴回转，这使螺旋轴的装拆、维护都比较方便，并可节省蒸煮管长度方向的安装空间，使蒸煮管的布置更紧凑，并且螺旋轴大多以2r/min左右的低速度旋转，采用链传动形式可简化结构，减少造价。参考文献〔1〕SundsDefibrator，Digesterequipment．设备维修资料，1987，2．〔2〕中国轻工总会编，轻工业技术装备手册．第1卷〔M〕．机械工业出版社，1995．〔3〕张永刚，麦草干湿法结合备料和连续蒸煮的使用〔J〕．北方造纸，1995，1：30-32．〔4〕邢益标，横管连续蒸煮器连续运转的基本条件〔J〕．中国造纸，1997，4：1-8．〔5〕刘文军，麦草制浆生产线的设计实践〔J〕．中国造纸，2023，1：30-32．〔6〕赵富强，连蒸在草浆生产中的应用及设计应注意的问题〔J〕．纸和造纸，2023，8：16-18．〔7〕李永峰，桑彦杰，130t/d麦草浆横管连蒸系统生产经验〔J〕．中国造纸，2023，8：64-66．〔8〕陈志浩，150t/d横管连蒸麦草浆设备特点及生产经验浅谈〔J〕．湖南造纸，2023，1：11-12．〔9〕张云奎，魏建设，姜伟，王爱卿，付更新，覃刚，150t/d麦草制浆线连蒸系统的优化及故障解决〔J〕．中华纸业，2023，18：57-60．杭州轻工业装备设计－制浆造纸设备新技术李良伟造纸工业已进入薄利竞争时代，采用经济实用的先进设备，在提高产品质量时努力实现节能降耗，提高综合效益，是造纸厂设备管理的新课题，也将成为造纸机械厂的新机遇。一．制浆备料设备1．大规格（200-10002．与100-800吨/天制浆产能相配套的草片、苇片、木片等原料的水洗设备和螺旋脱水设备。3．木片盘筛、木片摇摆筛。4．水力碎草机。5．立式或卧式甘蔗渣除髓机。二．连续制浆成套装备1．100-300吨/天制浆产能，以草片、苇片、棉杆、甘蔗渣等非木材纤维为原料的横管连续蒸煮成套设备。该成套装备重要由销鼓计量器、预热汽蒸器、螺旋喂料器、T形管、蒸煮管、带喷放阀的卸料器等单体设备组成。2．100-800吨/天制浆产能，以竹片、木片等为原料，采用管式压力浸渍和带压磨浆的CTMP制浆成套装备。3．APMP制浆成套装备。4．生物制浆、生物质精炼管式预解决装置。三．纸浆封闭式热筛选系统1．压力除节机。2．节能型中浓压力筛。3．洗节机和洗渣机。4．联合除节筛联合除节筛将压力除节机与中浓压力筛组合成一体，具有压力除节机和中浓压力筛双重功能。5．压力式黑液过滤机。四．纸浆漂白设备1．脱气、泵送一体化，自带脱气装置的高扬程中浓浆泵。2．中浓混合器、高浓混合器。3．中浓氧气漂白塔。4．中浓二氧化氯漂白塔。5．高浓过氧化氢漂白塔。6．中浓贮浆塔。五．纸浆洗涤、浓缩设备1．重力盘式浓缩机。2．多盘真空过滤机。3．高速洗浆机。4．斜螺旋浓缩机。5．双辊挤浆机。6．高效螺旋挤浆机参考国外公司的最新结构形式，采用均匀缓压、双向强化脱水及气控加载技术，脱水效果好，出浆浓度高，可满足新闻纸浆等各类纸浆的浓缩规定，此外，还对螺旋轴采用可靠的耐磨保护，有效提高设备的使用寿命。7．双网挤浆机双网挤浆机分为双压区挤浆机、五压区挤浆机和六压区挤浆机三种结构形式。双压区挤浆机的出浆浓度可达35%左右，重要用于纸浆浓缩。五压区挤浆机和六压区挤浆机属于强力型脱水设备，出浆浓度高达50%左右，通常作为湿浆板机使用，这种新型湿浆板机结构简朴，能耗省，仅一台设备就可代替老式湿浆板机的多台设备。六．废纸碎解系统1．高效节能低浓水力碎浆机（偏心转子碎浆机）高效节能碎浆机与国外公司的最新结构一致，转子位于圆筒形浆槽的偏心位置，并配套最先进的节能型叶轮，碎浆浓度可达8%，动力消耗比普通叶轮减少15-30%，此外，该叶轮采用分体式结构，便于维护及装拆，并在迎浆面上装设耐磨合金条，有效提高使用寿命。2．高浓水力碎浆机。3．转鼓碎浆机。4．湿损纸碎浆机、干损纸碎浆机。5．湿强纸专用碎浆机。6．废纸碎解辅助设备(a)．废纸包散包机。(b)．杂质分离机、纸浆粗选机。(c)．圆筒筛浆机。(d)．绞绳机和切绳机。(e)．纤维分离机。(f)．纸浆疏解泵。七．废纸浆筛选设备1．节能型粗筛（中浓压力筛）节能型粗筛分为升流式和降流式二种结构形式，配用最先进的节能型转子，可显著减少粗筛的动力消耗。以m2规格为例，配用电机功率仅75-90KW。2．节能型精筛节能型精筛分为内流式和外流式二种结构形式，采用不同型式的高效能转子，既可改善筛浆效果，又能节省动力消耗。3．节能型纤维分级筛。4．双鼓网前筛、内流网前筛。5．轻渣分离机（苹果筛）。6．排渣分离机（尾渣分选机）。7．复式尾渣筛复式尾渣筛参考国外公司的最新形式，采用升流式结构，浆渣先在筛子底部通过疏解解决，然后沿着筛鼓上升，进行筛选和淘洗，最后再将剩余的塑料片等轻杂质从筛子顶部排出机外，排渣浓度可达15-30%，且排渣时不会带出纸浆纤维。8．双效纤维分级筛双效纤维分级筛是一种新型复合型压力筛，兼有纤维分级和长纤维或中长纤维精筛选双重功能。用一台双效分级筛代替常规的普通分级筛和长纤维或中长纤维精筛二台设备，既可简化流程，节省设备占地面积，又能减少中间浆池、浆泵配置，减少动力消耗。9．双段中浓压力筛双段中浓压力筛是一种新型复合型压力筛，集成了一段筛选和尾浆二段筛选双重功能。用一台复合型双段中浓筛代替常规的独立型一段筛和二段筛二台设备，既可简化流程，节省设备占地面积，又能减少中间浆池、浆泵配置，减少动力消耗。八．废纸浆浮选脱墨设备1．立式（封闭式）浮选脱墨槽。2．卧式（油罐式）浮选脱墨槽。卧式浮选脱墨槽分为ECC和SFL二种结构型式，分别参考国外二家著名公司的结构形式进行设计，均采用高效的阶梯扩散式气泡发生器及先进的多级多段组合形式，具有进浆压头低，动力消耗省，脱墨效果好，纤维流失少的显著优点。九．废纸浆盘式热分散系统1．螺旋挤浆机或双网挤浆机。2．疏松螺旋。3．料塞螺旋。4．螺旋预热器。5．盘式热分散机盘式热分散机参考国外公司的先进形式，优化主轴、轴承及其密封结构，提高设备精度，并配置位移精度达0.01mm的先进电—液伺服十．造纸厂废水、污泥解决设备1．净水筛净水筛采用立式结构，运用筛鼓旋转所产生的离心力，结合微孔筛鼓的机械微滤作用，以过滤和筛选的方式将废水里的细小纤维等杂物分离出来，达成净化废水，并循环使用的目的，并且这一过程无需使用化学药品或添加长纤维浆。净水筛重要用于卫生纸机和特种纸机的白水回收，也可用于纸厂的综合废水解决。当白水通过净水筛解决后，细小纤维加入到抄前浆池，净化后的白水则直接用于纸机及洗涤、浓缩等设备的洗网和喷淋，不会产生喷嘴堵塞现象，从而大幅减少纸机水耗。净水筛结构简朴，造价低廉，占地面积小，能耗省，通常配用电机功率仅2.2-5.5KW。2．微浮选净水机。微浮选净水机采用部分回流的方式和加压溶气的原理产生微浮选效果，广泛用于纸机白水回收和纸厂的综合废水解决。微浮选净水机的主机呈圆柱状，并结合了气浮和斜板澄清二种净水模式，