DDS间歇置换蒸煮的特色

2011-11-21时圣涛江庆生姜艳丽

中国造纸 2011年9期

关键词：黑液筛板木片

时圣涛江庆生姜艳丽

(1.化学品与制浆有限公司，黑龙江齐齐哈尔，161006;2.黑龙江造纸厂，黑龙江富裕县，161021)

DDS间歇置换蒸煮的特色

时圣涛1江庆生2姜艳丽2

(1.化学品与制浆有限公司，黑龙江齐齐哈尔，161006;2.黑龙江造纸厂，黑龙江富裕县，161021)

介绍了3种蒸煮系统 (DDS间歇置换蒸煮、低固形物连续蒸煮和二代紧凑式连续蒸煮)的特点。重点介绍了DDS蒸煮具有原料适应性强、蒸煮工艺灵活、维护简便的特色。

DDS间歇置换蒸煮;紧凑式连续蒸煮;低固形物连续蒸煮;蒸煮特色

硫酸盐蒸煮技术在间歇蒸煮和连续蒸煮的竞争中不断进步。20世纪80年代，间歇蒸煮和连续蒸煮技术的重大突破是低能耗蒸煮和深度脱木素蒸煮技术的广泛应用。改良后的蒸煮技术，蒸汽消耗为传统蒸煮的1/3左右，特别是DDS间歇置换蒸煮是RDH蒸煮的升级，蒸汽消耗更低，卡伯值比传统蒸煮降低，污染负荷相应地更小，完全适应国家倡导的绿色、环保、低碳的生产理念。

1 DDS蒸煮系统的性能

化学品与制浆有限公司 (Chemical and Pulping Ltd.，简称CPL)的DDS间歇置换蒸煮是间歇置换蒸煮的典型代表。

图1为DDS蒸煮工艺流程，通过精确的计算和实践应用，DDS提供效果最佳的槽区设计系数，是能最大程度地回收热能和化学药品的蒸煮工艺。若槽区设计系数太小，就不能达到充分节能和产品质量均一稳定的效果，反之，槽区设计系数太大会造成投资浪费。这正是DDS蒸煮与其他间歇蒸煮系统相比较最有特色之处。DDS蒸煮方式能够适应我国的原料特点 (原料品种多而杂，合格率低)，从而短时间内赢得了中国的市场。

1.1 DDS蒸煮工艺

液体装锅 (LC):这是DDS蒸煮周期的开始。采用95℃冷黑液和冷白液装锅，目的是提高木片分散性和装锅量，同时中和木片表面的酸性分泌物。在LC阶段，与蒸汽装锅不同，不用新鲜蒸汽，就能使蒸煮锅内木片温度达到80℃以上。LC结束，为蒸煮锅进入带压状态做准备。

初级蒸煮 (IC):用135℃温黑液与冷白液充装，LC过程中加入的冷液被置换出来。随着135℃温黑液的充装，蒸煮锅的压力和温度上升。CPL公司通过长期的蒸煮实践发现，在DDS蒸煮工艺中，130℃的低温蒸煮段存在松动木素大分子链接，并可以大量脱除木素的特点，DDS蒸煮有针对性地设置了135℃的温黑液外槽，利用外槽的温黑液置换蒸煮锅内的冷黑液，实现了低温大量脱木素的目标。

图1 DDS蒸煮工艺流程

中级蒸煮 (MC):用170℃热黑液和热白液充装，把初级蒸煮的温黑液置换出来。随着温度提高，脱木素继续。

最后蒸煮 (升温/保温)(FC):在升温期间，用蒸汽升温到蒸煮最高温度并在此温度保持适当的时间。在FC期间，继续循环蒸煮锅内药液，用H因子来决定FC时间。因为FC阶段用碱量只有传统蒸煮总用碱量的1/3，所以高温低碱浓度，制浆得率高，强度更好。利用上循环对蒸煮顶部的回收滤板进行反冲洗作用，保证了整个系统正常运行。

热能回收 (RC):用洗浆的滤液将蒸煮锅的热黑液置换出来。热黑液和温黑液，按温度不同贮存在槽区内，并在下一个蒸煮操作中重复使用，蒸煮锅被冷却到低于常压的闪蒸温度。RC的洗涤作用相当于一段洗浆机。RC结束后，蒸煮锅内浆料不再发生脱木素和其他反应，相当于贮浆塔。

浆料泵放 (DC):这是蒸煮操作的结束阶段，放锅采用DDS蒸煮设计的浆泵放锅，成功地解决了其他置换蒸煮放锅不净的难题。蒸煮锅浆料冷到98℃，有效地避免了传统蒸煮产生的喷放臭气。

1.2 DDS蒸煮热能利用效率更高［1］

DDS蒸煮系统通过泵将药液送入蒸煮锅的木片层。使木片具有初始温度，泵送药液通过蒸煮锅与木片进行热交换，直到温度达到或接近蒸煮温度为止。泵送药液分为IC操作和MC操作两个阶段。如果需要，可以在蒸煮MC操作后另外加入蒸汽继续升温蒸煮，直到达到设定的目标H因子为止。

DDS蒸煮工艺采用从蒸煮锅的底部进液，顶部回收滤板出液的升流置换方式，实现热能和化学品的交换。进锅的药液由于受到锅内木片及液体自身的重力作用，它像液体活塞那样，均匀平稳地向上置换，木片和药液接触的时间做到先进先出、后进后出的效果，蒸煮锅的上、中、下各部得到的蒸煮工况是一致的。

1.3 DDS蒸煮浆强度更高，浆料更均一［1］

尽管还没有达到蒸煮的最终温度，但是在IC和MC阶段使用的药液使木片有充分的热能与化学品进行脱木素反应。这个过程可以在蒸煮进入保温阶段之前脱除多于50%的木素。因此，在较高的温度下采用更低的碱浓度进行最终脱木素蒸煮反应。高温度、低碱浓度脱木素与传统蒸煮相比，最重要的特点是减少了对纤维的破坏。这样DDS蒸煮比传统蒸煮在相同卡伯值时能够得到强度更高的纤维，或者在相似的强度下可以蒸煮至更低的卡伯值。

DDS蒸煮是RDH蒸煮的升级提高版。经过改进，创造了更稳定的温度和充分回用槽区残余化学品的条件;蒸煮锅内的液体通道控制和更有效地放锅，确保了卡伯值的波动更小，浆料更均匀一致;更高的自动控制操作，避免了操作员人为控制。更高级设计在于完善的管道结构、换热器设计等，最重要的是应用了现代的工艺自动控制技术。

1.4 DDS蒸煮先进的工艺控制［2］

利用DCS控制软件的批量控制、高级算法等功能和蒸煮锅内部特殊设计，做到全方位的防偏流技术。使蒸煮锅中的每片木片，接触到的蒸煮药液浓度、温度、时间都尽可能一样，锅的每个部位蒸煮得率和浆料卡伯值是均衡一致的。

1.4.1 放锅控制［1］

由于放锅前的热回收过程中蒸煮液的热能进入槽区，使得放锅时没有压力，因此蒸煮锅内的浆料不像传统蒸煮一样“喷放”或快速排出，DDS蒸煮采用放锅泵抽浆的方式放锅。随着放锅的进行，蒸煮锅内的液位下降，浆料浓度波动和浆料絮聚成团的趋势更加频繁，导致放锅泵的抽浆工况不停的波动。DDS采用“模糊逻辑控制” (FLC)技术可以顺利完成放锅。

1.4.2 槽区管理［1］

槽区的作用是贮存化学品和提供下一个蒸煮循环所需热能，保持蒸煮生产的连续性。DDS蒸煮系统采用“模型预测控制” (MPC)技术来预测槽区液位，调整泵流量与槽容积关系的同时对蒸煮锅自动排序。

DDS槽区内不同温度梯度的黑液安全贮存与使用。液体的频繁进出与不同温度的液体的隔离是保证系统正常运行的基础。DDS独有的槽区管理模式，保证了蒸煮工艺的实现。

1.4.3 置换通道［1］

药液在蒸煮锅剖面运动必须保持“液体活塞”的性能，不同流态下尽可能保持最小的干扰。DDS蒸煮系统采用“多变量控制”(MVC)保证药液在蒸煮锅剖面上做液体活塞运动。

1.5 DDS 蒸煮管道技术［1］

1.5.1 新型的蒸煮锅放锅总管

DDS蒸煮系统采用新型放锅总管结构设计，保证了放锅泵抽浆压力波动最小。

1.5.2 独特的蒸煮锅管道连接使温度波动最小

DDS蒸煮系统采用各种样式的管道连接方式，保证了药液隔离，不互相窜液，从而使槽区带压容器的温度波动最小。

由于DDS蒸煮与其他间歇蒸煮相比较具有上述特色，使其成为当今市场上间歇置换蒸煮的代名词。表1提供了DDS蒸煮商品桉木片的典型工艺条件。

表1 DDS蒸煮商品桉木片的典型工艺

2 连续蒸煮工艺特点

2.1 连续蒸煮工艺

安德里茨 (Andritz，原奥斯龙 Ahlstrom)公司1993年在MCC和EMCC的基础上开发出低固形物(Lo-Solid)连续蒸煮技术，工艺流程见图2(a)。在多处抽取黑液的同时，在黑液抽取处下方的蒸煮液循环回路中加进白液和洗涤液，保持恒定的液比和蒸煮稀释作用，降低各蒸煮区内固形物的浓度。继承等温蒸煮的高温、时间短的蒸煮特色。总蒸煮时间为210～220 min。无预浸塔，在蒸煮塔内进行预浸。单塔蒸煮和汽蒸仓、螺旋、木片泵喂料等设备投资略低，木片泵等设备维护费用低［3］。

图2 两种连续蒸煮工艺流程

美卓 (Metso，原克瓦纳 Kvaerner制浆)公司1997年在等温蒸煮和黑液浸渍基础上推出了紧凑式连续蒸煮 (Compact Cooking)技术，工艺流程见图2(b)。原理是在大量脱木素阶段，通过提高氢氧根离子 (OH－)和硫氢根离子 (HS－)浓度，来提高硫酸盐蒸煮的选择性，并提高该阶段的木素脱除率，从而减少慢速反应阶段的残余木素量。因此，蒸煮温度可以比等温蒸煮进一步降低，针叶木蒸煮能降低到150℃左右，桉木能到140℃左右，相应地蒸煮用汽量也可减少。总蒸煮时间为240～250 min。增加塔内滤板面积和后期蒸煮液循环量，塔内料柱横向温度和碱液浓度分布均匀;蒸煮粗浆得率更高，成浆均匀性好，浆渣量更少。浸渍塔和蒸煮器出料装置、高压喂料器均采用液压传动，生产控制灵活，设备运行可靠性较好。

在近几年中，两公司的设备和工艺都进行了很多改进，系统更加紧凑，功能更加强化［3］。

2.2 低固形物连续蒸煮与紧凑式连续蒸煮的共同优势

由于激烈的商业竞争，设备制造商都不遗余力地研究改进全自动的技术。因此，使得低固形物连续蒸煮和紧凑式连续蒸煮在性能、造价、消耗各个方面都越来越接近，往往不分伯仲，其共同特点如下:

(1)连续蒸煮操作是连续的，用汽量和电负荷相对稳定，容易控制。

(2)连续蒸煮结构紧凑，占地省，尤其是低固形物单体液相蒸煮系统占地更少。

(3)产能30万t以上的项目，运行更经济。(4)连续蒸煮最高温度低，在140～150℃。

表2 商品桉木片不同蒸煮方式的产能比较

3 DDS间歇置换蒸煮与连续蒸煮的共同优点

DDS间歇置换蒸煮与连续蒸煮具有以下共同优点:

(1)自动化控制程度高，操作人员少。

(2)满足深度脱木素的要求，适合ECF和TCF漂白。

(3)所有的能源都有热能回收和置换系统，蒸煮耗汽很低。

(4)蒸煮器单位体积的生产能力大大提高。表2为商品桉木片不同蒸煮方式的产能比较。

4 DDS间歇置换蒸煮优势

4.1 更容易增加产能

产能在20万t以下的项目，采用DDS蒸煮投资低，进一步增加产能更容易。例如:DDS蒸煮系统一套槽区，可以支持10台蒸煮锅。一期先做好槽区、安装5台蒸煮锅，二期利用现有槽区只需要增加5台蒸煮锅及相应的泵就可以使产能加倍，分期投资与一次性新建系统比较，投资节约30%～50%。

相同产能时连续蒸煮设备投资高的原因有两个:一是连续蒸煮的关键设备全套进口，而DDS蒸煮设备国内采购，造价相对低很多。另一个原因是DDS蒸煮锅和压力容器的材质是压力容器碳钢 (16MnR)，造价低于连续蒸煮的双相不锈钢 (EN1.4462)。

4.2 DDS蒸煮生产的可靠性高

4.2.1 DDS蒸煮生产的产能相对稳定

连续蒸煮是一条统一的生产线，当有一个环节有问题，整个生产线就会停下来，影响全部产能。DDS蒸煮是并列的蒸煮锅组成的生产线，有一个锅出问题，只影响系统部分产能。

4.2.2 DDS蒸煮装锅简单

DDS蒸煮只用皮带装锅和料位开关即可完成装锅操作;不需要配套精确度高的木片计量系统。原因是DDS蒸煮锅容积确定后，片料的散堆绝干密度也是固定的。因此片料的绝干装锅量是固定的。只用投资低廉的料位开关控制装锅即可。

4.2.3 不存在回收筛板的阻塞问题

DDS蒸煮完成每一个阶段的操作后，都会启动循环泵。有两个作用，一个是改变置换蒸煮的液体通道，均匀蒸煮锅内各点的温度;另一个作用是反冲回收筛板，反向清除堵塞在回收筛板内的“针片”。

连续蒸煮存在锅内木片架空 (搭桥)的可能性，造成蒸煮浆料中混有大量未蒸解的物质［6］。产生架空的原因是在蒸煮区域内部分成浆的木片被吸附在循环筛板上。有时浸渍区木片过早膨胀也会造成架桥。锅内木片架桥形成的塌陷，大量木片以比正常快得多的速度通过蒸煮区，导致蒸煮好的浆料中混有大量未蒸解物质。

DDS蒸煮的置换属于升流置换，不存在循环筛板堵塞的风险。

连续蒸煮的蒸煮区的循环筛板存在堵塞的风险;木片中不可避免地带入锯屑和树皮，当这些成分集中出现时，经常会造成循环筛板的缝孔堵塞，尤其是蒸煮区。过度强化循环也是造成循环筛板堵塞的原因。当循环管路中药液量变小时，说明循环筛板发生堵塞，如果用药液反向冲洗无法消除堵塞，蒸煮锅就得停机，对循环筛板进行机械清洗或酸洗［7］。

4.2.4 DDS蒸煮是环保友好的蒸煮方式

DDS蒸煮的硫化度低，对设备腐蚀小，臭气量少。连续蒸煮的硫化度为25%～30%，而DDS蒸煮的硫化度为18%。

4.3 DDS 蒸煮运行比较灵活

4.3.1 DDS蒸煮可改变原料和浆种

DDS蒸煮可轮流和同时用不同的蒸煮锅蒸煮针叶木，阔叶木和竹子。每一锅都有独立的配方表，不受其他锅的影响。

4.3.2 DDS蒸煮开停机容易

DDS蒸煮开机操作简单，先在槽区装水，把槽区内的水加热到工艺温度，然后在蒸煮锅内加入木片蒸煮。

连续蒸煮装置的开停操作应该严格按照专项细则程序进行。一般操作，先装入约1/2的木片和药液，利用强制循环系统进行间歇蒸煮，然后启动进料和排料装置，并转入连续工作，而且在一段时间内木片输送量要大于放浆量，直到锅内达到正常料位。此后，要按既定的连续蒸煮规定程序运行［8］。

4.3.3 DDS蒸煮对木片质量的适应性强

DDS蒸煮之所以在我国发展得非常快，关键是适应国内的原料质量差、波动频繁、合格率低的情况。

连续蒸煮对木片质量要求很高:木片中木屑含量应不大于3%，树皮含量不大于2%，腐朽材含量不大于1%，合格木片 (长15～25 mm)所占比例不小于85%。而小木片和长5～6 mm的“火柴杆”占的比例尽量少些。小木片、“火柴杆”和木屑会堵塞高压进料器前溜槽中的筛网以及锅内循环筛网，而木屑有时会穿过黑液提取区和热洗涤区的筛网。

连续蒸煮要求木片水分及材种的组成不应该有大的变化。当原料的性质波动时，连续蒸煮的蒸煮塔内碱分布的变化难以控制［9］。

4.3.4 DDS蒸煮系统更能适应国内的原料供应现状

国内的原材料供应现状和特点是:没有一个稳定的、足够大的原料供应基地，很多工厂依赖国外进口和国内就近收购相结合的方法。这种情况原料质量很难稳定。

DDS蒸煮系统可以采用原料分类蒸煮，不同种类的原料放在不同的蒸煮锅内，使用不同蒸煮工艺同时进行蒸煮，发挥各种原料的优势。因此DDS蒸煮系统更能适应国内的原料现状。

4.3.5 DDS蒸煮系统能很方便地转产溶解浆

CPL公司在现有DDS蒸煮的基础上成功开发出了DDS-Alpha蒸煮工艺用于生产溶解浆。如果设计时考虑到生产溶解浆，要求蒸煮锅和温黑液槽为复合316 L的不锈钢板。用户可以很方便地将DDS蒸煮系统切换成DDS-Alpha蒸煮系统用于生产溶解浆。表3为DDS蒸煮与DDS-Alpha溶解浆蒸煮历程的比较。

表3 DDS蒸煮与DDS-Alpha溶解浆蒸煮历程的比较

4.4 DDS蒸煮维护工作量少

DDS蒸煮系统的设备主要是压力容器 (如蒸煮锅、温黑液槽、热黑液槽、热白液槽)、泵、换热器和阀门仪表，维护非常简单，故障率极低。

5 DDS蒸煮的不利因素

5.1 DDS蒸煮系统更适用于30万t以下的项目

超过30万t的项目，DDS蒸煮单台蒸煮锅容积要求很大或者蒸煮锅数量很多，造成基建投资大，维护量增加，占地面积也比较大，不如连续蒸煮经济。

5.2 DDS蒸煮最高温度还有很大的下降空间

DDS蒸煮的最高温度，针叶木一般保持在168～172℃，而阔叶木一般保持在160～165℃。而连续蒸煮的最高蒸煮温度在140～150℃。因此，今后DDS蒸煮研发的方向是低温度蒸煮。这样DDS蒸煮的能耗还会有很大的下降空间。

6 结语

一个浆厂的蒸煮工艺是整个工厂的核心，它对工厂的生存和竞争力是非常关键的，而评价一个工艺的好与坏，不能单方面从投资多少来考虑，更多的要考虑工艺技术的先进性和可操作性。另外，更要考虑到原料的种类和供应链。DDS间歇置换蒸煮的特色是其成功发展的主要原因。

［1］Craig A Bianchini．Batch Displacement Cooking ＆ Retrofit Solution for Existing Indian Pulp Mills［J］．IPPTA J．，2007，19(1)．

［2］丁仕火，张铭锋，王武雄，等．DDSTM置换蒸煮系统RDH间歇蒸煮技术新进展［J］．中国造纸，2005，24(6):62．

［3］Herbert Sixta．Handbook of Pulp［S］．WILEY-VCH Verlag Gmbh＆Co．KGaA，2006:109．

［4］周鲲鹏．湖南骏泰浆纸公司40万t/a化学木浆生产线新工艺、新设备及清洁生产［J］．中国造纸，2010，29(3):41．

［5］唐先陆，覃程荣，丁永奎，等．桉木和竹子混合硫酸盐法DDS蒸煮工艺的研究［J］．中国造纸，2008，27(7):11．

［6］齐秀乐，孙长庚，郭同庆．连蒸器内木片架桥事故的处理及蒸煮工艺改进［J］．中华纸业，2009，30(18):86．

［7］杨亚辉．低固形物蒸煮的工艺生产实践［J］．西南造纸，2003，32(5):39．

［8］Stig Andtbackal．桉木制浆新技术［J］．国际造纸，2004(4):49．

［9］高学义．谈Compact CookingTM二代竹浆生产［J］．中华纸业，2010，31(6):53．

The Features of DDS Cooking System

SHI Sheng-tao1，*JIANG Qing-sheng2JIANG Yan-li2
(1．Chemical and Pulping Ltd．，Qiqihar，Heilongjiang Province，161006;2．Heilongjiang Paper Mill，Fuyu，Heilongjiang Province，161021)(*E-mail:tom_shi2006@163．com)

The paper presented the features of DDS cooking system，Compact Cooking and Lo-Solids Cooking system．The obvious feature of DDS cooking system includes various straw material adaptability，process flexible，easy maintenance and so on．

displacement digester system;Compact Cooking;Lo-Solids cooking;features