蘆葦置換蒸煮中的熱能回收及循環利用

苗 林 羅先毅 周景輝 劉文龍

(1.大連工業大學，遼寧大連，116034;2.新疆博湖葦業股份有限公司，新疆庫爾勒，841001;3.中國造紙協會，北京，100833)

置換蒸煮技術是基于深度脫木素機理發展起來的卓有成效的化學制漿技術，主要有塔式連續置換蒸煮和立鍋間歇置換蒸煮兩大類。目前在木漿和竹漿生產上已經得到大規模應用［1-2］。其最大特點就是將蒸煮過程中的熱能置換出來，回收儲存并循環利用，以此達到節能增效的目的［3］。然而，由于草類原料料片細小，在蒸煮過程中又過早軟化，造成堆積密度變化，過濾阻力增加，不易做到均勻置換，影響蒸煮質量。新疆博湖葦業股份有限公司經過多年籌備，建立了國內第一條蘆葦原料置換蒸煮生產線，其中最具特色的就是完備的熱能回收及循環系統。本文就生產中的實際情況對該系統進行介紹。

1 蘆葦置換蒸煮的工藝概述

蘆葦置換蒸煮工藝流程見圖1，共分為8個步驟，分別是:料片裝鍋→冷黑液填充→溫黑液置換→一級蒸煮階段→熱黑液置換→二級蒸煮階段→冷黑液置換→卸料放鍋階段。

料片裝鍋:將備料工段送來的合格葦片通過輸送帶裝入蒸煮鍋內，同時添加一部分來自洗選工段的黑液進行預浸以提高裝鍋量。因蘆葦堆積容重受料片自身水分、料片長度、雜質含量等因素影響很大，進而影響裝鍋量，所以要求干備料必須穩定料片長度合格率、去除灰塵和梢葉穗等雜質。而在裝鍋過程中適時適量地添加預浸黑液則有利于降低水分所帶來的影響。

冷黑液填充:裝鍋結束后封好鍋蓋，將洗選工段送來的稀黑液泵送入蒸煮鍋內，利用其殘余熱量將鍋內溫度升至65～75℃，同時可排除鍋內殘余空氣，確保蒸煮過程處于液相。

溫黑液置換:用溫黑液槽中儲存的約130℃的溫黑液將冷黑液置換出蒸煮鍋，冷黑液回流至置換液槽，將鍋內溫度提升至110℃左右，同時添加部分堿液以中和料片表面的有機酸，并預滲透料片。

一級蒸煮階段:利用循環泵將鍋內的蒸煮液透過蒸煮鍋中部的過濾篩板抽濾出來送入藥液加熱器與中壓蒸汽混合，然后再送回鍋內，不斷循環升溫至鍋內溫度達到130℃時為一級蒸煮的終點。

圖1 蘆葦置換蒸煮工藝流程

熱黑液置換:用熱黑液槽中儲存的約150℃的熱黑液將溫黑液置換出蒸煮鍋，溫黑液回流至溫黑液槽，將鍋內溫度提升至140℃以上，同時補充部分堿液補充脫木素。

二級蒸煮階段:利用循環泵將鍋內的蒸煮液透過蒸煮鍋中部的過濾篩板抽濾出來送入藥液加熱器與中壓蒸汽混合，然后再送入鍋內，循環至鍋內溫度達到155～158℃，停止加熱，進入保溫階段，保溫0.5～1 h，二級蒸煮結束。

冷黑液置換:用冷黑液槽內冷黑液將熱黑液置換出蒸煮鍋，置換出來的高溫熱黑液進入熱黑液槽，溫黑液進入溫黑液槽，冷黑液進入置換液槽，直至鍋內溫度降至100℃以下時冷黑液置換結束。

卸料放鍋:利用放鍋泵將鍋內的粗漿抽送至噴放鍋，同時在蒸煮鍋底部加冷黑液稀釋。

由于蘆葦是在130℃時進行大量脫木素，此時也正是料片的軟化階段，故在一級蒸煮后的熱黑液填充和二級蒸煮階段需要在生產過程中對蒸煮液循環量及蒸汽加入量不斷進行調整，確保蒸煮鍋中各處的溫度均勻一致，以此避免偏流現象發生，保證蒸煮質量。

2 置換蒸煮系統的熱能來源

在制漿造紙工業中，通過介質換熱來達到升溫目的的主要手段是蒸汽。將帶有熱量的飽和蒸汽與需要加熱的低溫介質接觸混合，使熱量傳遞至低溫介質中，達到提升溫度的目的［4］。在蘆葦置換蒸煮系統中也是利用中壓蒸汽作為熱能載體對系統進行加熱。系統對熱能的消耗主要有兩個引入點，分別是藥液加熱器和溫、熱黑液槽，見圖2。

2.1 藥液加熱器引入蒸汽

藥液加熱器位于蒸煮鍋循環泵的出口，其底部設有特殊的渦流形成裝置，將循環泵從蒸煮鍋中部抽濾出來的黑液形成渦流;中壓飽和蒸汽從藥液加熱器的中部進入，通過內部管道上的小孔高速噴出，均勻地與黑液混合，提高黑液溫度，然后分別從蒸煮鍋的頂部和底部進入鍋內，形成一個循環加熱的系統。

在中部篩板的各出液點均設有溫度監測器，蒸煮鍋頂部和底部進液口也設有溫度監測器，最終溫度以中部篩板各出液點溫度的平均值為準，當平均值達到設定值時，即認為升溫結束。

圖2 蒸煮階段蒸汽引入點

藥液加熱器的作用主要是對蒸煮系統進行加熱，是主要的蒸汽消耗點，大約占蒸汽總消耗量的90%～95%。

2.2 溫、熱黑液槽引入蒸汽

溫黑液槽和熱黑液槽主要儲存蒸煮過程中回收的溫黑液和熱黑液。溫黑液槽溫度約為125～135℃，熱黑液溫度約為140～150℃。為了保證槽罐內的壓力維持穩定和補充自然散失的熱量，需要在儲存過程中從槽頂補充部分中壓蒸汽，在溫黑液槽和熱黑液槽頂部、中部和底部均設有壓力監測點，當槽內壓力小于設定值時，進氣閥門自動打開，補充蒸汽至目標壓力為止。溫黑液槽的壓力約為0.35～0.45 MPa，熱黑液槽的壓力約為0.50～0.60 MPa。

溫、熱黑液槽引入的蒸汽主要用于保溫保壓，大約占蒸汽消耗量的5%～10%。

3 置換蒸煮系統對熱能的回收

置換蒸煮與傳統蒸煮的最大區別之處在于將蒸煮過程中的熱能進行回收并循環使用。由于涉及的回收點較多，故本文從回收熱能的介質上來介紹，詳見圖3所示的冷置換及換熱流程。

3.1 高濃不凝氣體的熱能回收

在蒸煮過程中，中壓飽和蒸汽通過藥液加熱器與黑液混合后進入蒸煮鍋內，由于無法在極短的時間內完成熱量交換而變成冷凝水，部分蒸汽逸出聚集在蒸煮鍋的頂部空間，使鍋內的壓力迅速上升，形成假壓，當假壓足夠大的時候，就會造成進汽困難，所以這部分蒸汽必須排出蒸煮鍋外，這個排壓操作在整個升溫過程中都需要進行，為了回收這部分被排出氣體中的熱量，置換蒸煮將這部分氣體引入壓力相對較低的溫黑液槽，用于給溫黑液槽補壓保溫。

圖3 冷置換及換熱流程

為了回收熱能，當料片蒸煮結束后，需要用冷黑液將鍋內的熱黑液置換出來。當熱黑液大量流入熱黑液槽內的時候，液體和蒸汽會造成熱黑液槽內壓力迅速上升，為保持壓力穩定，將熱黑液槽和溫黑液槽頂部連通，中間用自動閥控制。當熱黑液槽內壓力超過閾值時，閥門打開，蒸汽進入溫黑液槽，用于補壓保溫。

當系統進行熱黑液填充時，大量溫黑液流入溫黑液槽，使溫黑液槽內的蒸汽增多，壓力快速增加，當壓力超過閾值，槽頂部的自動排氣閥打開，多余蒸汽排往氣體冷卻器。

氣體冷卻器是置換蒸煮系統中回收高濃不凝氣體中熱能的核心設備。它由管程和殼程組成，不凝氣體走管程，清水走殼程，氣體攜帶的熱能交換給清水并送至洗選工段用于洗漿。經過換熱后的不凝氣體變成冷凝水，儲存至冷凝水罐，當液位達到閾值時，泵送至洗選工段用于洗漿。這樣就完成了整個置換蒸煮系統中高濃不凝氣體熱能的回收。

3.2 蒸煮黑液的熱能回收

蘆葦置換蒸煮的升溫蒸煮大致可分為兩個階段，分別是一級蒸煮和二級蒸煮。一級蒸煮的截止溫度約為125～135℃，二級蒸煮的截止溫度為155～160℃。當一級蒸煮結束后，用熱黑液將鍋內的黑液置換出去獲得130℃左右的溫黑液，儲存在溫黑液槽，用于下一次溫黑液填充。當二級蒸煮結束后，用冷黑液將鍋內的黑液置換出來，獲得150℃左右的熱黑液儲存在熱黑液槽，這樣就實現了熱能的回收儲存。

由于回收儲存的溫黑液量超過蒸煮所需要的溫黑液量，所以多余部分的溫黑液被送往堿回收蒸發工段。但溫黑液中仍攜帶大量熱能，這部分熱能通過白液預熱器 (黑液-白液換熱)和黑液換熱器 (黑液-清水換熱)來回收。

白液預熱器的主要作用是將溫黑液中的熱能轉移給冷白液，以供溫黑液填充和熱黑液填充時補充堿液時使用，當進程運行至溫黑液填充階段時，白液泵啟動，將冷白液槽內的白液泵送至白液預熱器的管程，同時從溫黑液槽排出部分溫黑液至白液預熱器的殼程進行熱能交換，這一步驟可將65～70℃的冷白液升溫至80～96℃，由于經過換熱的溫黑液還有殘余熱量，所以還需送入黑液換熱器中進行熱能回收。進程運行至熱黑液填充時，換熱過程和溫黑液填充相同。

經過預熱的白液和溫黑液、熱黑液混合后進入蒸煮鍋內，可有效提高鍋內溫度，縮短升溫時間，節約汽耗、電耗。

黑液換熱器位于白液預熱器的黑液出口，它主要用于回收溫黑液中殘余的熱能，當系統進行溫黑液填充和熱黑液填充時，與冷白液換熱過后的溫黑液通過殼程，清水通過管程進行換熱。加熱的清水送至洗選工段用于洗漿，而經過換熱后的黑液被送至堿回收蒸發工段進行回收。

4 置換蒸煮的熱能循環利用

置換蒸煮的關鍵技術在于利用回收的熱能通過液體置換的方式快速將系統的溫度升至目標溫度，達到循環利用、節能增效的目的。

在料片裝鍋階段，將洗選工段送來的稀黑液和料片混合后裝鍋，利用稀黑液中攜帶的余熱可將常溫葦片的溫度升至約65～75℃，這個預浸過程不僅可以利用稀黑液中的殘堿軟化料片，降低蒸煮用堿量，也可以利用稀黑液中殘余熱能，降低汽耗，還可以提高裝鍋量。

裝鍋結束后，即可進入溫黑液置換填充階段，其主要目的是利用溫黑液中的熱能快速提升系統溫度。將溫黑液槽儲存的125～135℃的溫黑液與堿混合后加入鍋內，同時通過蒸煮鍋中部篩板將冷黑液抽出，直到蒸煮鍋內完全被溫黑液充滿，系統溫度升至與溫黑液溫度接近時即完成溫黑液填充。溫黑液填充結束后即可進行一級蒸煮保溫階段，保持料片的相對位置不動，利用蒸煮鍋的篩板濾出黑液，通過循環泵來使蒸煮液在鍋內封閉循環。

熱黑液置換填充的目的和過程與溫黑液置換填充基本相同。將熱黑液槽內儲存的150℃左右的熱黑液與堿液混合后加入蒸煮鍋內，將鍋內的溫黑液置換至溫黑液槽以備下一鍋使用，而熱黑液系統溫度提升至150℃以上，熱黑液填充結束后即進入二級蒸煮階段，適當通入蒸汽將溫度進一步提升至155～158℃。蒸煮完畢后用冷黑液將熱黑液置換至熱黑液槽和溫黑液槽儲存。

5 運行效果分析

置換蒸煮經過約6個月的穩定運行，收集統計的運行數據與橫管連續蒸煮運行數據對比如表1所示。

從表1數據可知，置換蒸煮單位產品的能源消耗以及原材物料消耗均比連續蒸煮的低，并且漿料質量更好。這與竹、木漿的DDS蒸煮是一致的［3］，但是由于蘆葦作為非木材纖維，在110℃時就已經開始大量脫除木素，因此，蒸煮所需的最高溫度更低，蒸汽消耗量也更低［5］。如裝鍋量為20 t風干葦片的情況下使用1.0 MPa飽和蒸汽進行蒸煮，升溫到156℃，所需消耗的新鮮蒸汽為8 t，較升溫到160℃要少用新鮮蒸汽1.1 t。但是，由于葦片具有較低的軟化點、較小的堆積密度，所以在設備的單位產能上低于竹木漿的DDS蒸煮。目前，新疆博湖葦業股份有限公司正在對此進行優化，以期將產能提升到120～150 t/d(風干)。

6 結語

置換蒸煮作為一種節能環保的制漿技術，在木材(或竹子)原料制漿中已廣泛使用，但在蘆葦制漿中尚屬首次。針對蘆葦原料的特性，在傳統置換蒸煮的理論和設備上進行了改進，實現了規?；a。通過生產運行的情況來看，蘆葦置換蒸煮不僅是可行的，而且具有明顯的節能減排、降耗增效的作用，這對于非木纖維制漿技術的探索研發具有非常重要的意義。

表1 置換蒸煮與橫管連蒸數據對比

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