我國制漿造紙裝備科學技術的發展

張 輝 王淑梅 程金蘭 胡 楠 鄺仕均

(1.南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室,江蘇南京,210037;2.中國輕工企業投資發展協會,北京,100011;3.中國制漿造紙研究院,北京,100061)

我國制漿造紙裝備科學技術的發展

張 輝1王淑梅1程金蘭1胡 楠2鄺仕均3

(1.南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室,江蘇南京,210037;2.中國輕工企業投資發展協會,北京,100011;3.中國制漿造紙研究院,北京,100061)

簡要地討論了制漿造紙裝備及其制造業和學科建設的現狀和在我國造紙工業發展中的地位和作用,著重探討了近年來我國制漿造紙裝備科學技術取得的進展,同時也討論了國際先進制漿造紙裝備科學技術在我國的應用現狀;從科技研發、制造業狀況和學科建設等方面對國內外制漿造紙裝備科學技術現狀進行了比較分析;提出了今后我國制漿造紙裝備科學技術發展展望與對策建議。

制漿造紙裝備;科學技術;學科建設;進展;展望;對策建議

制漿造紙裝備在生產過程中發揮 3方面的作用：①提供制漿造紙工藝化學反應過程所需的環境和條件;②實現制漿造紙工藝所需的物理處理和流變所需的機械機構;③發揮著聯系各工藝單元所需的傳輸、中轉、貯存等作用。因此,制漿造紙裝備是實現制漿造紙工藝過程的載體。制漿造紙裝備科學技術水平在很大程度上直接影響和決定著制漿造紙工業的發展水平。

近些年來,我國制漿造紙工業迅速發展并與國際水平接軌,除與原料結構調整有關外,主要得益于裝備水平的提高。反過來,制漿造紙工業的發展加快了制漿造紙裝備科學技術的進步,促進了制漿造紙裝備制造業的發展。

1 制漿造紙裝備制造業概況[1-2]

現代制漿造紙裝備制造業屬于技術密集的大型裝備制造業。我國制漿造紙裝備制造業沿著“引進技術,消化、吸收、國產化”這條主線發展,具有相當水平的大中型制漿設備及中高速寬幅紙機不斷涌現。

2009年,我國紙和紙板總產量 8640萬 t,2000—2009年間年平均增長 12.7%,其中 2005—2009年間年增長 11.4%。為適應我國制漿造紙產業結構轉變和快速增長期的巨大市場需求,制漿造紙裝備制造業快速發展并有了跨越式的技術進步。

2003年,我國制漿造紙機械制造業列入統計范圍的企業有 163家;2008年,列入國家統計范圍的國有和銷售收入 500萬元以上的企業有 273家,企業數量較 2003年增長 67.5%。2008年的 273家企業,工業總產值為 181.4124億元,比 2007年增長24.6%,比 2003年的 47.2億元增長 284.3%;工業銷售收入為 172.1745億元;利稅總額為 22.0735億元,比 2007年增長 35.2%。

我國制漿造紙裝備已發展成為工藝適應性強,技術復雜,品種繁多,具有機、電、儀、計算機相結合的高新技術配套產品,不少產品已接近甚至達到國際先進水平。但我國制漿造紙裝備的技術和產品的科技含量與世界先進水平的差距并沒有縮短多少,體現在進口設備越來越占主導地位,主要的大型制漿造紙成套設備都是從國外進口并被國外企業壟斷。解放前為“市場洋紙壟斷”變為現在的 “造紙洋設備壟斷”,國產裝備仍只能銷往中小型制漿造紙廠。

2 制漿造紙裝備科學技術整體水平與進展[3]

現代制漿造紙裝備具有大型、高速、連續、復雜、自動化程度高、成套化和控制精度要求高等特點,裝備要具備高速生產過程漿料纖維懸浮液等多相流、多介質、宏觀微觀均衡分布和質量能量動力傳遞等功能,同時與機、電、儀和計算機等高新技術相結合配套,而且是當今新材料和先進制造科技水平的綜合。制漿造紙裝備從其科技含量角度上看當屬高科技類成套裝備,可以說現代制漿造紙裝備是在當今工業品制造業中所用的科技含量與水平較高的裝備中少有的,因而具有先進水平的大型制漿造紙成套裝備價格昂貴,只能被國外少數公司壟斷。

近年來,通過成套引進或引進關鍵部件的方法,我國制漿造紙裝備的制造能力和科技水平有了一定提高。世界先進裝備廠商在我國的落戶和國產化設備制造水平的提高,不僅縮小了我國與國際先進水平的差距,同時也引入了先進的管理方法和技術人才,提高了產品研發能力和自主創新能力。

我國制漿造紙工業已擁有世界上領先的制漿造紙技術和裝備,如連續蒸煮、氧脫木素、二氧化氯制備及漂白、各種化學機械制漿、涂布加工、廢紙脫墨,帶有夾網成形器、靴式壓榨、單排烘缸、機內超壓、軟壓光等高速紙機,廢水處理系統,QCS、DCS、MCC、PLC等自動控制系統。

目前,我國制漿造紙裝備已呈現了大型化、高速化、自動化、國產化、成套化的特征和趨勢。

3 制漿造紙裝備學科建設情況

制漿造紙裝備科學技術具有學科交叉性強,與現代高新技術關聯度大、結合緊密,應用基礎性研究實驗裝置建設費用高、難度大,技術開發性新裝備中試生產線投入多等特點。

在推進制漿造紙裝備科學技術進步的過程中,高等學校和科研、設計院所發揮了十分重要的作用。但在人才培養和科技創新、科技研發人員數量方面,制漿造紙裝備遠不如制漿造紙工藝,跟不上制漿造紙工業發展的需求。

我國有輕化工程 (制漿造紙工程)專業的 22所本科高校中,較早設置制漿造紙機械與設備本科專業方向的高校有華南工學院 (現為華南理工大學)。可隨著時間的推移和制漿造紙工業的快速發展,特別是制漿造紙裝備水平的迅速提高,從事制漿造紙裝備方面教學和科研的師資以及人才培養的院校數量卻在不斷減少,且有相當數量原從事制漿造紙裝備教學科研的教師轉為從事制漿造紙工藝的研究。在國內,專門從事制漿造紙裝備科學技術研究與開發的科研機構和院校很少。直接開展具有自主知識產權的制漿造紙裝備技術研發的企業也很少。結果勢必導致我國自身的制漿造紙裝備科學技術發展落后于制漿造紙工業發展的要求。

現只有南京林業大學和陜西科技大學設置制漿造紙裝備與控制本科專業方向,并且有相應的教研組。開展制漿造紙裝備科學技術研究和研究生培養較多的高校有華南理工大學、南京林業大學和陜西科技大學。專門從事制漿造紙裝備研究的設計院所主要有輕工業杭州機電設計研究院等;部分大型制漿造紙機械制造企業設有設計研究所,如西安造紙機械研究所。

4 制漿造紙裝備科學技術發展現狀

4.1 制漿造紙裝備科學技術進展[4-6]

4.1.1 備料設備

備料裝備的科技進展主要體現在對原料除雜、分類和尺寸處理能力及機械結構的設計上。近年來,我國制漿原料結構的調整 (主要是廢紙和楊木比重的增加)以及為克服草類原料利用過程中雜質干擾,相應備料設備的研發,如廢紙的分選設備系統、楊木的剝皮削片和再碎設備系統、草類原料的濕法備料設備系統成套設備等的研發均有所進展。

針對廢紙原料的雜質種類多,長期以人工分揀為主,一方面工人的勞動強度大、工作環境差,另一方面分揀質量不高影響下道工序生產等問題,鄭州運達造紙設備有限公司開發生產的節能型廢紙散包干法篩選分選設備系統已在生產系統中推廣應用,實現了廢紙分揀的機械化和連續化。

由于國內制漿原料的多樣化,目前木材備料設備中削片機和木片篩發展不快。國外已發展了高效率切片和可按木片厚度分級的鼓式削片機和盤式木片篩,并重視備料系統的清潔生產。湖南懷化引進的Andritz公司的備木生產線中的剝皮、切片生產線設計產能達到 350 m3/h。隨著林紙一體化和 APMP、CT MP高得率制漿技術的發展,國內削片機和木片篩的規格有向大型化、自動化程度高、工作環境好、操作勞動強度小的方向發展。

對于非木纖維原料的備料裝備,干法、濕法、干濕結合法備料 3種技術裝備生產線在國內都有一定的市場。

干法備料工藝成熟、投資少,但存在灰塵污染大、制漿用化學品消耗量高、漿料得率低、硅干擾大等缺點。國內發展了產能為 24 t/h的切料除塵機組;產能 14～25 t/h的刀盤式切葦機;產能為 7～10 t/h的刀盤式切竹機;產能為 20～24 t/h的大型棉稈備料成套設備 (包括切料、破碎除塵、分離等功能);產能為 15～25 t/h的刀輪式破碎機等。

濕法備料是目前較為先進的草類原料備料方法,是國內上規模造紙企業新上項目的首選方法。濕法備料設備已有標準配置,一般為鼓式洗滌機加水力洗滌機,鼓式洗滌機與木片和竹片濕法備料的相同,目前配置的最大水力洗滌機規格為 90 m3,能滿足 300 t/d粗漿產量的濕法備料要求。濕法備料常與橫管連續蒸煮配套使用,故濕法備料后還配置草片泵。目前,草片泵最大規格為 560 m3/h,揚程 25 m。脫水主要靠斜螺旋脫水機,一般 1臺草片泵配置 1臺斜螺旋脫水機。斜螺旋脫水機常用規格Φ900 mm×7000 mm,單軸。江蘇華機集團和天津輕工業機械廠等提供的主要設備采用的仍然為水力碎草機、草片輸送設備和脫水設備等,但在節水、節能、減少草片碎斷以及減少流程體積等方面進行了研究改進。

干濕結合法備料是草類堿法制漿備料的發展趨勢。

4.1.2 制漿和漂白設備

根據制漿方法和原料不同,其制漿和漂白設備需求和發展也不同。

4.1.2.1 化學法制漿設備的進展

從化學制漿設備科技進展角度上看,化學法制漿設備的進展主要是不斷適應蒸煮化學反應條件下大型化壓力容器的設計以及化學反應進程中物料的移動技術和主要技術參數的測控技術。在裝備成套化技術方面,國內取得較大進展的主要為草類原料濕法備料和橫管連續蒸煮器系統的成套化及封閉篩選系統的成套化。

近年來,化學法制漿設備的研發主要圍繞著實現新的制漿工藝、節能降耗、與制漿廢液處理的銜接、連續生產、提高產能規模和漿料質量及其均勻性等方面進行。新建制漿項目都采用了新技術,對非木纖維原料采用了成熟的橫管連續蒸煮技術。

在間歇蒸煮技術與裝備方面,國外有了較大的突破,先后有 RDH(快速置換加熱)技術與裝備,以及類似的 Super Batch、Enerbatch、DDS等。用于木片及竹片的超級間歇蒸煮主體設備已基本實現國產化,如大型的超級間歇蒸煮鍋 (250 m3)、大型的壓力貯罐 (包括熱白液、熱黑液、溫黑液,可達 1000 m3以上)、大型噴放鍋 (1500 m3以上)全部實現國產化,但成套裝備及自控系統還有待開發。

國外卡米爾連續蒸煮也有了很多改進,先后開發了MCC(改良連續蒸煮)、E MCC(深度脫木素的改良連續蒸煮);Metso公司的 ITC(等溫蒸煮),Compact-G1(一代緊湊蒸煮)和 Compact-G2(二代緊湊蒸煮);Andritz公司則推出了 LowSolid(低固形物蒸煮技術)。這些國際先進的連續蒸煮技術與裝備有的已在我國得到了應用,如海南金海漿廠引進的木漿生產線產能達到 120萬～130萬 t/a;全球規模最大的 150萬 t/a漂白木漿生產線已在我國山東日照落戶;位于世界技術最前沿的 G2型緊湊連續蒸煮系統已投用于國內最大的竹漿廠——貴州赤天化紙業公司。但適應木材纖維的立式連續蒸煮裝備技術目前在國內極少涉及。

根據非木纖維的特點,我國自主創新,成功開發具有自主知識產權的、以適應草類原料為主的 150～300 t/d的橫管式連續蒸煮系統設備和自動控制系統,并采用最新的可編程控制器 (PLC)或集散控制器(DCS),其漿料得率和設備運行效率已達到國際先進水平。螺旋喂料器常用的是 23英寸 (1英寸 =2.54 cm),正在使用的最大規格為 25英寸;已有能力制造 30英寸以上的螺旋喂料器,產量達到 300 t/d;采用饑餓型喂料器提高草料喂入的水分;噴放閥由系統自動控制調節確保系統平衡以及采用雙熱噴流程、冷熱雙噴流程等。該蒸煮器系統技術性能提高,更適合我國國情。

近年來在洗漿和黑液提取方面,國產真空洗漿機的性能和產能都有很大改進和提高。在引進消化吸收基礎上,經多次改進后采用波紋濾板、小平面閥的洗漿機現已比較適應各種非木纖維漿料的黑液提取和洗滌。最大真空洗漿機轉鼓面積可達 120 m2,可配套20萬 t/a的 KP木漿項目。近年來,國內開發的新型置換雙輥擠漿機系列,其輥最大規格為 1500 mm×5000 mm,可配 60萬 t/a系統;另外,還有低速單螺旋壓榨脫水機、雙壓區雙網擠漿機等。為了追求更高運行效率和低運行成本,國外已發展鼓式置換洗漿機(DD洗漿機)并已投入應用,可在一臺洗漿機上完成 4段洗滌,國內已有引進并在開發生產。

篩選凈化設備方面,國內在消化吸收國外先進技術的基礎上,研究開發了具有節水節能、減少纖維流失等優點的封閉篩選系統,主要設備有除節機、壓力篩、高濃除渣器、液體過濾壓力篩等。其壓力篩為外流式中濃壓力篩、封閉型轉子,液體過濾壓力篩采用微孔過濾篩鼓,均具有創新性和實用性。該系統的篩多為縫篩,一段篩縫為 0.20 mm～0.25 mm,二段篩縫為 0.30 mm,目前封閉篩選系統規模為 300 t/d。國內用于封閉篩選具有波紋篩鼓的壓力篩和棒式波形篩鼓的低脈沖壓力篩已成系列,接近國際先進水平,但在精度和使用壽命上有一定差距。國外同類設備的使用壽命要比國內高 1倍,材質熱處理好。

國產各種除渣設備,如高濃、中濃、低濃除渣器及輕、重雜質除渣器等通過不同的組合配套已可完全滿足國內各種規模的生產需求。國產最大圓網濃縮機規格為 50 m2。越來越多的漿廠使用占地面積小、效率高的多圓盤濃縮機 (最大規格為Φ5500 mm,過濾面積 500 m2)。

4.1.2.2 高得率制漿設備的進展[7]

高得率制漿設備科學技術主要圍繞著原料和工藝的適應性、制漿質量的提高,設備本身的高性能、高效率、低能耗的運行和材料壽命的延長等方面進行。

高得率制漿設備有磨石磨木機和盤磨機兩大類。由于 T MP、CT MP、APMP、P-RC AP MP等制漿技術的發展,再加上大型化、材種適應性強和漿料質量提高等因素,盤磨機逐漸占據中心地位,但磨石磨木機制漿法具有低能耗和產品具有高散射系數的優點,仍然沒有被全部取代。由于盤磨機制漿系統向大型化、節能低耗、提高磨漿質量等方向發展,因而出現了大直徑的三盤磨和輔助的熱回收系統,采用木片擠壓螺旋與盤磨機配合的節能技術,采用偏心進料高濃盤磨機降低磨漿能耗技術等。

國外盤磨機高得率制漿設備的關鍵技術和設備為高壓縮比喂料器和大直徑常壓高濃盤磨機以及全程的高濃漂白設備系統。從國外引進的化機漿生產線有 10多條,典型的有 735 t/d BCT MP和 300 t/d AP MP生產線。新型高得率、低污染的制漿設備有同向雙螺旋輥式磨漿機系列,最大生產能力可達 250 t/d,其關鍵技術有同向雙螺桿搓漿機,雙螺桿搓漿轉子的結構和耐熱耐磨材質。

高得率化機漿 APMP及 BCT MP等在國內也有很大的發展。對各種規模的高得率化機漿,汽蒸倉、浸漬器和反應倉等設備可全部國產化,國產的螺旋撕裂機和高濃盤磨機等設備還不過關。特別是高濃盤磨機,目前國內生產的最大規格為Φ1400 mm,但性能不穩定。國內開發了可用于機械漿或化學機械漿的雙螺桿磨漿機及 APMP化學機械漿設備,目前已有60～100 t/d的成套設備,且 300 t/d的成套設備正在完善中。輕工業杭州機電設計研究院與華南理工大學等共同承擔的 “十一五”國家科技支撐計劃項目課題“10萬 t/a高得率化機漿關鍵設備的研制”已完成設計,正在進行樣機制造,其盤磨機規格為 68英寸,完成后可實現 10萬 t/a的高得率化機漿裝備的全線國產化。

4.1.2.3 廢紙制漿設備的進展[8]

廢紙處理包括碎漿、篩選、凈化、洗滌、濃縮、熱分散、揉搓、浮選脫墨和漂白等工序。廢紙處理裝備技術的研發主要圍繞以下幾個方面進行：裝備如何充分發揮疏解 (盡可能減少切斷)廢紙纖維的作用;盡量不使輕、重雜質碎解成細小顆粒;最大限度地使脫墨漿的油墨和纖維分離除去;降低水耗和電耗;單條生產線的大型化和成套化。

近幾年,回收纖維制漿尤其是廢紙脫墨漿的生產在我國迅速發展,主要呈現以下幾個特點：廢紙制漿設備能力、規模不斷擴大;轉鼓碎漿機在新脫墨線大量采用;由于脫墨漿在生產新聞紙中的使用比例逐步增加,碎漿所用的間歇式水力碎漿機正逐步被碎解較溫和的轉鼓碎漿機所取代,并且出現了雙轉鼓 (即碎漿區和篩選區使用不同的轉鼓);從單級浮選脫墨到二級浮選脫墨;為了提高漿料白度及降低塵埃度,篩選段添加了預精篩。

近年來,廢紙制漿技術設備主要進展有：①碎漿設備,如轉鼓碎漿機、低能耗高濃水力碎漿機。立式水力碎漿機國內已達 50 m3的規格,與其配套的有粗渣疏解設備。為增加碎漿時漿料的循環,采用漿槽上增加導流葉片,或在槽體結構上進行改進 (如 D形連續式水力碎漿機)。由于配置有螺旋轉子的高濃水力碎漿機的最佳化,能夠得到比鼓式碎漿機質量更佳的漿料,但高濃水力碎漿機相對不太適合質量變化的廢紙制漿。鼓式碎漿機在去除膠黏物和油墨效率方面優于高濃水力碎漿機,近年來的應用有了較大的發展。②篩分設備,如纖維分級機、復式纖維分離機等。篩選設備最大的技術進步是楔形棒篩筐的細縫篩的開發,縫篩的技術進步還包括增加篩縫開口面積,鍍鉻或者采用新型耐磨的碳化物涂料以延長使用壽命,以及篩筐的翻新等。即使縫寬只有 0.10～0.15 mm,縫篩也能在 3%～4%的漿濃下正常運行。在壓力篩不銹鋼篩板進漿面加工的波形開口,使緊靠篩縫進口處漿料流體化,從而提高了漿料通過量和進漿濃度。迄今為止,最小的篩縫已達到 0.10 mm。③除雜凈化設備,如逆向除渣器,通流式除渣器,輕、重雜質除渣器以及回轉式除渣器在國內生產應用發展很快。但除渣器結構本身并沒有很大的變化,不少公司致力于進漿、良漿、排渣口的改進。④浮選脫墨設備,主要從槽體的大小、形狀、空氣注入技術、氣浮物去除等進行改進和革新,如 KBC公司的MAC浮選槽、Metso公司的 Optibright浮選槽、Voith公司的Ecoell浮選槽以及 Andritz公司最新推出的 SelectaFlot浮選槽。⑤熱分散機。熱分散機分成盤式和輥式兩種,輥式熱分散機又叫搓揉機。使用搓揉機可使纖維卷曲而使成紙透氣度增加。而盤式熱分散機不會使纖維產生卷曲現象,而且功率傳輸較高。

國內引進的最先進廢紙脫墨漿成套生產線產能達1200 t/d。國產辦公廢紙處理生產線的成套設備與進口設備仍有一定差距,其中國產高濃過氧化氫漂白設備仍是空白。在國外,廢紙處理和廢紙脫墨成套設備的單機生產能力大,噸漿能耗少、運行成本低,關鍵設備已由盤式熱分散機發展為更加高效節能的錐盤式熱分散機。

目前,國內可提供 600 t/d的 OCC生產線成套設備及 300 t/d的脫墨漿生產線設備,其中鼓式碎漿機、立式碎漿機、高溫高濃盤式熱分散機及浮選脫墨槽這些關鍵設備已全部國產化。大型的鼓式 (滾筒型)碎漿機最大規格為Φ4000 mm,生產能力約 500 t/d;國產纖維分離機最大規格約為Φ1500 mm,生產能力約 300 t/d;國產外流壓力篩規格最大可達 5 m2,生產能力約為 400 t/d;內流壓力篩、纖維分離篩最大規格約為 3 m2,生產能力約 350～400 t/d。極大部分轉子和篩鼓我國都能制造,但在材料選用、精度和耐磨性上需進一步提升。

除華一輕機公司 (已被美國凱登收購)和福建輕工機械有限公司提供成套廢紙處理設備外,近年來,成功研制的廢紙制漿新設備有：山東晨鐘機械公司的轉鼓式碎漿機和 ZFM型封閉浮選脫墨槽;福建輕機的 ZNV系列螺旋擠漿機、預熱進料螺旋器系列、ZGF系列疊型浮選脫墨槽以及中濃粗篩系列;山東汶瑞機械公司的 15萬 t/a中濃紙漿少污染漂白設備(升降流漂白塔、過氧化氫漂白混合器等);鄭州運達造紙設備公司研制開發的廢紙散包干法篩選系統以及山東安聯輕機公司的高濃除渣器、浮選脫墨槽、壓力篩、轉鼓式碎漿機、高速洗漿機等。

4.1.2.4 漿料漂白設備的進展

近年來,國產漂白系統設備主要沿著連續、大型和 ECF或 TCF方向發展。進口漂白系統多采用氧漂、二氧化氯及過氧化氫漂白組合,而漂白濃度多采用中高濃。濃縮設備、混合設備以及塔反應設備是漂白過程中必備的裝備,中高濃混合設備是實現藥液和漿料充分混合的關鍵設備。高濃混合器主要有盤式高濃混合器、轉子高濃混合器等。塔反應設備主要針對不同的漂白技術,從防腐蝕角度和充分反應的角度采用不同的漂白塔。

近年來,國內新建較大漂白系統大都采用進口ECF漂白 (即中濃氧脫木素、中濃二氧化氯漂白和中高濃過氧化氫漂白組合)。國產中濃氧脫木素和中高濃過氧化氫漂白設備的生產能力在 5萬 t/a以下;中濃二氧化氯漂白技術和設備 (包括二氧化氯制備)全部依賴進口;漂白各段之間洗滌設備 (鼓式真空洗漿機)大都采用國產設備。以上國產設備與進口設備相比,在使用效率、加工精度和使用壽命等方面存在差距。

具有我國自主知識產權的中濃紙漿清潔生產漂白成套設備主要包括雙升流塔氧脫木素段,過氧化氫漂白段以及配套的中濃漿泵和中濃高剪切混合器,漂后廢水中的可吸附有機氯化物 (AOX)可達到國家排放標準,同時與傳統的 CEH三段漂白比較,節水 50%以上,能耗減少 30%以上,屬于清潔漂白技術裝備,所有設備均為國內制造,最高產能達 10萬 t/a。目前,氧脫木素塔 (單塔或雙塔)的能力可達 15萬 t/a,最大規格為Φ3000 mm,高度 33.6 m。氧脫后的噴放鍋最大規格Φ3200 mm,高度 15.5 m。氧脫木素塔及華南理工大學研制的中濃混合器、中濃泵等可滿足 200 t/d的生產規模。但中濃泵的能力和效率等還與國外的設備有差距,大規格的設備還需依賴進口。漂白用的二氧化氯制備裝置等,國內已有自己的技術裝備,目前最大制備能力在 6 t/d,已投入使用。

4.1.3 打漿設備

近年來,打漿裝備科學技術的進展主要是在以下幾方面：①打漿設備核心構件適應性更好;②設備結構更加緊湊、產能更高、能耗更低;③主要構件(如轉子、定子刀或齒盤)材料更優、壽命更長;④對打漿過程纖維在磨區微觀變化機理與磨齒間關系更加了解;⑤打 (磨)漿間隙的測量及其控制更加精確;⑥單機能力的大型化;⑦打漿設備的綜合動態運行參數 (流量、濃度、電流、間隙、打漿度等)協調優化控制系統自動化程度和精度更高,整體運行安全性更高;⑧發展中、高濃打漿設備,有利于節能和提高打漿質量。

4.1.3.1 打漿設備 (新結構原理)進展

近年來,國外出現了幾種新的打漿設備,我國也已經從機理和設計等方面開展了相關的研發,并申請了有關專利。

(1)新一代圓柱形磨漿機

傳統的圓柱形磨漿機,其漿料從一端進入磨漿區,并從另一端出漿,也稱為單向流式,漿料進出磨漿機是依靠進出口的壓差和飛刀輥兩端的推漿葉輪,軸向受力較大,能耗相對高。新一代圓柱形磨漿機(新型雙向流式),漿料從機體空心主軸軸向中心(一半為空心,另一半為實心)進入,再在中間受離心力作用向周邊流向磨漿區中間,然后分別向相反方向在磨漿機體兩端出漿。這種磨漿流對稱式設計,不僅克服了軸單向受力,同時無需加軸向推漿葉輪而節約能耗,空載能耗可降低 45%。

(2)雙磨腔錐形磨漿機

傳統的錐形磨漿機為單磨腔錐形磨漿機,只有一個磨漿漿流通道。近年來,國內外已經開發并應用了雙磨腔錐形磨漿機。目前,雙磨腔錐形磨漿機有兩種形式 (均為懸臂式)：

(a)三錐式雙磨腔錐形磨漿機。主要結構由 3個互相嵌套在一起的同軸空心錐體構成,其中,中間為雙面齒紋的錐形轉子,外側和內側分別為兩個錐形定子,外側定子為內表面有磨齒的磨套,內側定子為外表面有磨齒的錐頭。該設備產能高,能耗和設備費用卻小得多,占地也相應減少;完全適用于闊葉木漿、廢紙漿和非木材纖維等短纖維漿種磨漿。

(b)四錐式雙磨腔錐形磨漿機。為克服轉子軸向受力的缺陷,提高單位體積設備內有效磨漿區面積,出現了新的結構為一臺錐形磨漿機具有兩對錐形定子磨套內嵌錐形轉子的四錐式雙磨腔錐形磨漿機。磨漿過程中,漿料通過左、右兩個進漿口分別從兩個圓錐形轉子小端進入左、右兩個錐形磨腔磨漿區,后在兩個大端周邊外圓環區匯合,最后通過上部 (或下部切線方向)與圓環區相連接的出漿口出漿。如果因兩個磨漿區磨漿間隙不同,或者因磨漿區漿流、纖維特征等引起兩個磨區間磨漿壓力不同使磨漿質量均勻性不一致時,則依靠兩個磨區漿水壓力差自動平衡和移動轉子軸滑動盤兩個方面來實現調節磨漿間隙的目的。

(3)改進型盤磨機

(a)轉軸動盤浮動裝配式盤磨機。傳統盤磨機的動盤固定在轉子軸上,當動、定盤面間產生少許不平行時 (大盤徑則更是如此)或盤間漿料瞬間產生不同區域分布不一致時,會造成盤面磨損不一致和對軸不平衡的彎扭曲力,從而影響到軸承不均衡扭曲受力磨損。近年來,國外發明出一種花鍵、輪轂與轉軸配合固定,輪轂外齒與動盤中心孔內圓齒作寬松式配合的盤磨機,當定、動盤間發生各種不平行或不平衡力時,依靠輪轂外齒與動盤中心孔內圓齒之間的寬松式嚙合得到微調而自動消除。

(b)螺旋進漿管口式盤磨機。通常,傳統盤磨機的漿料由上側進漿管進漿口向下流,再轉水平向流進定盤中心孔,最后垂直轉向盤面的周邊方向,兩次垂直轉向流會增加動力消耗。近年來,發明出一種具有螺旋進漿管口和雙切出料口的新盤磨機,漿料進入進漿管口后,通過旋渦形通道進入螺旋向通道,再沿切線方向平順地匯流到盤中心,與盤間打漿漿流方向一致,然后在盤周邊區外殼切線流方向出漿。這種結構使漿料進入流、磨漿流和出漿流始終保持平順過渡,無垂直拐彎等造成磨擦能耗,漿料流也平穩均勻。

4.1.3.2 中高濃打漿設備的開發與應用

近年來,國內開發出了 ZDPM系列中濃液壓盤磨機。該盤磨機的磨漿濃度 7%～15%,自吸進漿,無需漿泵和推進器;較傳統的低濃磨漿,噸漿節電30%～40%,磨漿區節水 50%以上,成紙物理性能提高 10%～30%;纖維分絲帚化率高達 75%,細小纖維流失少,是新一代節能、減污、提高打漿質量的先進設備。目前,該技術與裝備已推向市場,有 200多臺 ZDPM系列的產品用于幾十家企業的生產。

4.1.3.3 打漿設備控制進展[9]

目前,廣泛用于打漿間隙間接測量和調節漿料打漿度的參數有：①打漿電機負荷,采用恒能耗或恒功率控制;②漿料經打漿前后的溫度差 (或溫升)。最近,國內發明了一種盤式磨漿機磨漿間隙在線直接精確測量裝置,克服了傳統上間接測量方法不能實際準確反映磨漿間隙而近似依賴于電機電流作為參考的缺陷,使打漿過程處于封閉、高溫、高壓條件下的微觀刀間距得到精確測量與有效控制,從而直接穩定調控了漿料打漿度。

4.1.3.4 高產量、大規格打漿設備的應用

為了適應產能的擴大和打漿質量的提高、能耗的下降,發展了適應大中型漿廠需要的產能 100～250 t/d的高濃磨漿機、最大產能達 400 t/d的 Z M系列錐形磨漿機。盤磨機方面,近年來在引進芬蘭 DD型720、900、1100(產能分別達到 15～250 t/d、20～750 t/d、40～800 t/d)基礎上,消化吸收了DD型技術,對原 ZDP系列盤磨機結構進行了改進,使其性能提高。中濃液壓盤磨機的開發與應用,顯著提高了打漿質量,降低了電耗,產能在 100～160 t/d。

4.1.4 造紙機

4.1.4.1 造紙機整體進展

近年來,國內外紙機圍繞高速、寬幅、節能、緊湊和自動化等方面開展研究,涉及到的主要科學技術進展有：纖維懸浮液非牛頓流體的高速流送與分散技術、快速成形脫水與壓榨脫水技術、高效干燥技術、干濕紙幅高速傳遞技術、高速多段分部傳動與協調控制技術、紙張質量與紙病快速偵測技術、紙張表面壓光技術、各部 (套)動態運行機械狀態監測與故障診斷技術等。具體取得技術進步的單元裝備有：①高效緊湊的漿料流送系統;②帶有稀釋水橫幅定量控制的水力式流漿箱;③帶有真空成形輥和加壓脫水相結合的立式夾網成形器;④由單靴壓組成的三壓區復合壓榨,使紙機車速突破 1500 m/min,設有開式引紙,濕紙幅進烘缸時干度提高 3%以上,并改善了紙張的松厚度;⑤紙張的干燥技術從雙排缸干燥技術發展到單排缸干燥技術,提高了干燥能力;⑥涂布紙的涂布和壓光實現了造紙機內在線生產。應用預計量施膠壓榨、薄膜涂布技術和軟壓光技術,實現了輕涂紙機內全過程生產。研制成功軟輥超級壓光機,開發了簾式涂布、噴霧式涂布技術并應用于機內涂布裝置。

Voith、Metso公司幾乎壟斷了世界上所有大型紙機設備的訂單,他們對紙機的流漿箱、靴式壓榨、軟壓光、涂布機等有其獨特的創新和技術;而 ABB公司因電氣傳動控制、DCS、QCS管理計算機系統等優勢,為大型紙機的配套做得相當成功。由于我國造紙產能一直在快速擴張,近年來新推出的最先進紙機在我國得到應用。目前,新聞紙生產線幅寬可達 11 m,車速2000 m/min,紙機全封閉運行,自動引紙,自動卷取;書寫印刷紙生產線幅寬達 9.77 m,車速 2000 m/min;涂布紙板生產線幅寬 8.1 m,車速達 900 m/min;牛皮卡紙、牛皮箱紙板、高強瓦楞原紙生產線幅寬 7 m,車速達 1300 m/min;衛生紙生產線幅寬 5.6 m,車速達 2100 m/min;先進紙機的新聞紙生產耗水量已下降至 10～20 m3/t紙,汽耗、電耗亦有較大下降;書寫印刷紙類耗水量下降至 10 m3/t紙;用廢紙生產紙板的耗水量為 4.7 m3/t紙板,較低的達到 2.8～3.0 m3/t紙板;衛生紙耗水量為 6.5 m3/t紙。

目前,國產紙機基本上能滿足大部分國內中小型紙廠的需求,可生產 15萬 t/a的箱紙板機、10萬 t/a涂布白紙板機,5萬 t/a的文化用紙紙機。從幅寬來看,國內已有能力生產幅寬為 5.5 m的紙機;從車速來看,最高車速可達 1000 m/min左右;從技術性能上看,國產紙機的能耗較高,所產紙張質量指標與國外水平有差距,性能不夠穩定,技術成熟度不高,調試周期過長。國產紙機明顯呈現出模仿國外產品、缺乏成熟的理論和實踐的指導、技術性能不夠優化的特點。

當前,國產文化用紙紙機以 2640紙機為主流機型,具有全部自主知識產權,配置了華南理工大學開發的上網成形器后,使整體裝備水平得到了很大提升。近年來,我國造紙機械在加工能力、技術水平、安裝管理水平上發展都比較快,有較高的市場占有率,新增紙張產量中的約 87%是由國產中小型造紙機貢獻的,同時進口大型高速造紙機的安裝和調試以及運行管理、維護保養,也都是通過國內技術力量完成的,甚至部分備品備件都由國內公司提供。

目前,已建成運行的最大國產文化用紙紙機,機寬 3.8 m、工作車速 800 m/min、產量約 250 t/d,傳動控制為全矢量變頻控制,DCS集散控制系統和QCS系統。機型主要是長網加頂網,氣墊或水力式流漿箱,四輥三壓區或五輥三壓區壓榨,干燥部采用部分單排缸帶有紙幅穩定器,全密閉氣罩和熱泵蒸汽系統,獨立引紙繩引紙。國家科技支撐計劃,河南江河紙業與華南理工大學、遼陽造紙機械股份有限公司等聯合研發高速文化用紙紙機,攻克了一些關鍵技術,取得了一批發明專利技術,紙機車速達 1000 m/min,為高速紙機國產化開了先河。

國產紙板機的最大幅寬已達到 5.8 m,車速 850 m/min,氣墊或水力式流漿箱,四疊網或五疊網成形,全封閉式引紙,大輥徑壓榨,帶紙幅穩定器的單排缸加雙排缸的干燥形式,獨立引紙繩引紙,傳動和控制與文化用紙紙機相似,應用于瓦楞原紙、箱紙板、白紙板、牛卡紙或白卡紙的生產。

國內開發成功的新月形衛生紙機,紙機幅寬2830 mm、車速已達 1400 m/min,可生產 13～25 g/m2的系列生活用紙,目前已得到應用。

斜網特種紙紙機是最近幾年發展較快的一種紙機,主要用于長纖維或混合纖維特種紙的生產,采用斜網,超低濃度分散成形。國產斜網紙機最大幅寬3300 mm,車速在 200 m/min之間,但絕大部分斜網紙機的車速在 60～120 m/min,幅寬在 1260～1575 mm之間。目前,單層和雙層成形斜網紙機已成功運行投產,三層成形斜網紙機正在開發中。適應的產品多是過濾紙系列、表層紙系列、電池紙系列、玻纖紙系列及電容器紙系列等。

4.1.4.2 流漿箱與成形部的進展

國際先進水平的高速紙機網部的發展趨勢均由水平夾網發展為立式夾網,關鍵的是雙面快速均衡脫水技術。Metso由 Symfor mer(蘇州紫興采用)到 Speed(UPM常熟采用)再到 Optifomer(南平紙業、黑龍紙業采用)。Voith則由 Duofor mer(金城紙廠采用)到DuoCFD (APP金東紙業采用)再到 Duo TQ及Duofomer TQv(華泰紙業采用),最后都走向立式夾網,并逐漸量化脫水,使雙面脫水的量及速率幾乎相等,最大限度地減少了兩面差。

國內流漿箱的發展趨勢是開發稀釋水控制高壓水力式流漿箱,并配備溫度、壓力補償裝置,提高紙幅橫向和纖維定向的均勻性。其中,關鍵技術是湍動發生器的基礎理論研究以及設備實驗及生產加工技術。

生活用紙紙機多采用新月形成形器。

高速紙板機一般均采用長網 (或疊網)成形技術,國內大多數車速較高的紙板機都是如此。隨著車速的提高,多夾網組合成形技術將得到廣泛的應用。上網成形器是長網機和疊網機上用于輔助脫水與成形的一種裝置。近年,國內主流的上網成形器的結構主要有三/四真空室的上真空脫水箱和彈性加壓下刮水板組,使水線之前的濕紙幅在真空和刮刀壓力作用下脫水并產生纖維二次分布的機會,以改善成紙勻度。

4.1.4.3 壓榨與干燥部的進展

靴式壓榨是壓榨領域的最新技術,世界上大型紙機生產商都有自己的靴式壓榨技術。帶可控撓度輥、蒸汽箱的復合靴式壓榨是目前比較有效的壓榨方式。目前,靴式壓榨已擴展到了應用于所有紙產品的脫水,已經實現的車速范圍同樣很大,從 50 m/min(漿板機)到 2000 m/min(衛生紙紙機)。

干燥部一直是發展中高速紙機技術的瓶頸之一,其科學技術進展是在干燥部的熱利用率、高速有效傳熱和冷凝水有效排出技術等方面。隨著車速的提高,直徑 1.8 m的烘缸,內設擾流棒、單排列的干燥部,無繩引紙技術的開發、各式吹風箱、穩紙器的優化、帶閉式氣罩和分區袋通風裝置的多段通汽干燥技術等已在國內開發的造紙機上廣泛采用。國內現在研究新一代VAC輥與垂直沖擊式烘干技術以及新的干燥技術,如電磁干燥、紅外干燥等。

4.1.5 涂布機、卷取與完成設備的進展

我國涂布設備起步也較晚,先期只能提供小幅寬、低車速的氣刀涂布機。為滿足中、高檔涂布紙的發展需要,在先后兩次引進Voith公司的涂布機的設計與制造技術、瑞士BMB公司的涂布干燥技術的基礎上,消化了用于銅版紙涂布系統的氣浮式干燥箱技術、氣刀涂布技術、氣霧分離器技術、噴泉式涂布器及張力控制等技術。現在中等幅寬和車速的涂布機基本上可以靠國內供應。近年來,又吸納各方技術并吸收國外的設計理念,自主創新開發了高速膜轉移施涂機。

目前,紙板涂布、銅版紙和特種涂布、機內膜轉移施膠涂布等可由國產供應。涂布白紙板機大部分為幅寬 2760 mm(最大 3600 mm),工作車速 200～400 m/min;銅版紙紙機主要為幅寬 1760/1880 mm (最大 2640 mm),涂布方式為氣刀、刮刀和計量棒形式,涂布量自動控制。2008年,我國開發了幅寬 6100 mm、車速 1200 m/min的膜轉移涂布機以及幅寬 2700 mm、車速 500 m/min的機內膜轉移涂布機。膜施膠涂布機主要用于中高速文化用紙機內涂布,全自動控制,幅寬 3520 mm,工作車速 700 m/min。熱敏紙、無碳復寫紙涂布機的幅寬分別為 2760 mm、1880 mm,車速約 250 m/min。

近年來,國產復卷機技術水平提高很快,最大幅寬達 5500 mm,工作車速 1800 m/min,張力自動反饋,壓輥和底輥轉矩自動調節控制,復卷質量明顯提高,故障率大幅下降,基本能滿足國內市場需求。

超級壓光機的國內研制相當成功。目前,已有多家企業能制造優質產品,其中包括幅寬 3300 mm、車速 1000 m/min的帶 2個可控中高輥的超級壓光機及雙面軟壓光機等。幅寬 3520 mm,工作車速 700 m/min的軟輥壓光機已投產,可控中高輥和軟輥包覆材料已實現國產化。

國產自動包卷生產線能滿足 30萬 t/a生產線的需求,并能實現包卷、封頭、貼標和輸送等的自動化,大大節省了勞動力成本。

在輔機方面,技術進展較大的是高速同步切紙機、高速寬幅復卷機和軟壓光機以及為大型紙機配套的卷筒紙自動包裝生產線。國產漿板用機內切紙機機型以幅寬 3200 mm和 3600 mm為主,工作車速在 80～150 m/min之間。國產文化用紙紙機機外切紙機以幅寬 1880 mm和 2640 mm為主,工作車速在 150～200 m/min之間,分為單刀和雙刀回轉型連續切紙機。

4.1.6 過程控制、機械監測與自動化

4.1.6.1 DCS、QCS、W IS的應用

近年來,國產設備的技術進展之一就是新上高速紙機在配套引進世界先進的開放式控制系統 (OCS)、質量控制系統 (QCS)、集散控制系統 (DCS)、紙病偵測系統 (W IS)等和液壓、氣壓控制系統的同時,自主開發了國產相關系統。在現有的單機集中式紙機監測與診斷系統 (MMS)基礎上,開發分布式多機狀態監測與故障診斷技術裝備,提高紙機運行的快速性、安全性、可靠性與穩定性。

針對高速造紙機配套的具有自主知識產權的包括上述各類的綜合系統在國內還沒有,但有關公司在某些系統上有研發。如國內某些公司研發的定量水分控制系統 (QCS)和紙病表面缺陷檢測系統 (W IS)、全過程集散控制系統 (DCS)等在國內中、低速紙機上得到配套應用,但相關系統的穩定可靠性以及適應的紙機車速與國外先進水平有較大差距。

2010年,Metso推出一款新型在線掃描勻度傳感器(Metso I Q For mation勻度測量),它利用高速圖像捕捉和分析技術來定義小范圍的紙張勻度。紙機操作人員可以快速、直觀地優化紙張勻度,并滿足勻度指標的要求。2010年,Voith專門研發了一種可連續測量成形部內紙幅水分的檢測器——OnQ For mingSens。該檢測器采用高頻微波檢測技術,擁有目前最高的測量精度。通過實時測定紙幅水分含量,可持續確定最佳紙幅水分值;全部測量均在線完成,可提高紙機的安全系數。

4.1.6.2 造紙機械狀態監測與故障診斷技術[10-11]

造紙機械具有高速、連續、龐大、復雜、技術含量高、自動化程度高等特點。在國外,狀態監測與故障診斷技術在現代化造紙機中的研究和應用已較為廣泛,但國內這方面非常薄弱。隨著國內的制漿造紙裝備水平逐步與國際接軌,這種非解剖在線診斷技術將成為確保大型造紙機械安全、經濟、高效、可靠運行必不可少的技術手段。自亞洲漿紙 (APP)金東紙業(江蘇)有限公司于 1997年率先配套美國 ABB公司在線狀態監測與故障診斷系統應用以來,特別是近幾年來,國內許多新上紙機項目和部分原有項目 (如泰格林紙等企業)都先后配套和應用這類技術。這類技術的應用,主要包括動態運行特征參數的監測硬軟件系統,特征數據的提取分析和與故障之間關聯的判斷,以及現場的綜合分析確認。

近年來,國內相關企業和南京林業大學等有關高校著重在以下幾個應用方面開展了研究：

(1)對造紙機械旋轉件現場動平衡技術進行了系統研究,實現了快速、準確對不平衡故障的診斷,成功地完成了目標輥體的現場動平衡。

(2)對高速紙機結構動力共振現象進行研究,探討了其研究方法、結構動力共振車速。

(3)對高速紙機干燥部烘缸軸承運行狀態振動監診技術、故障發生過程振動信號變化規律及譜圖特征、故障發生的主要原因與對策進行了研究,并結合油液分析技術對紙機干燥部潤滑系統關鍵參數的控制及其影響度進行了研究。

(4)針對造紙企業裝備特點,對基于虛擬儀器的紙機軸承振動監測與診斷系統開發的原理、方法進行了研究,為制漿造紙設備的故障診斷提供了一個途徑。

[1] 中國造紙學會.2008中國造紙年鑒[M].北京：中國輕工業出版社,2008.

[2] 中國造紙學會.2009中國造紙年鑒[M].北京：中國輕工業出版社,2009.

[3] 中國造紙協會,中國造紙學會,中國制漿造紙研究院,等.中國造紙工業六十年(1949—2009)[M].2009.

[4] 楊 旭.中國造紙機械制造業現狀及發展趨勢[J].中華紙業,2008,29(12)：6.

[5] 陳克復,張 熙.我國制漿造紙裝備制造業自主創新戰略研究的若干問題[J].中華紙業,2006,27(6)：6.

[6] 陳克復,胡 楠.我國制漿造紙設備制造業的進步及面臨的任務[J].紙和造紙,2005(增刊)：5.

[7] 李繼庚,劉煥彬,吳 波.造紙企業全廠能量系統優化信息平臺的設計與開發[J].造紙科學與技術,2009,28(6)：14.

[8] 張 輝.制漿造紙裝備節能節水結構原理與評析[J].中國造紙,2007,26(5)：52.

[9] 張 輝,李忠正.新的盤式磨漿機磨漿間隙在線測量技術[J].中國造紙學報,2008,23(1)：85.

[10] 姚新躍,張 輝.紙機密閉氣罩內外壓差的量化模型[J].南京林業大學學報,2010,34(2)：95.

[11] 邱榮華,張 輝,張笑如.油液分析技術及其在現代造紙機械故障診斷中的應用[J].中國造紙學報,2009,24(3)：121.

(未完待續,下轉第 5期)

(責任編輯：陳麗卿)

Advances i n Pulpi ng and Papermaking Equipment Science and Technology

ZHANG Hui1,＊WANG Shu-mei1CHENG Jin-lan1HU Nan2KUANG Shi-jun3
(1.Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing,Jiangsu Province,210037;2.China Light Industry Investment and Development Association,Beijing,100011;3.China National Pulp and Paper Research Institute,Beijing,100061)
( ＊ E-mail：hgzh@njfu.edu.cn)

Firstly,the paper briefly introduced the current situation of the industry and the discipline construction of pulping and papermaking equipment in China,as well as their roles in the rapid development of China's paper industry in recent years.Then,focused on the discussion of the recent years advances in pulping and papermaking equipment science and technology in China,the application of worldwide advanced science and technology of pulping and papermaking equipment in China was included.Further more,the advances of science and technology of pulping and papermaking equipment in China and in the other developed countries were compared.Finally,the prospect and suggestion of future developing goals and measures of pulping and paper making equipment science and technology in China were put for ward.

pulp and papermaking equipment;science and technology;discipline construction;advance;prospect;measures propose

TS73;G30

A

0254-508X(2011)04-0055-09

張 輝先生,博士,教授;現任南京林業大學輕工科學與工程學院院長。

2010-12-13