化學機械漿工程設計實踐

金 猛 夏慶根 張成峰 張 誠

（1.中國輕工業長沙工程有限公司，湖南長沙，410114；2.仙鶴股份有限公司，浙江衢州，324022）

我國紙產量及紙產品質量迅猛提高，用于造紙的紙漿按紙漿得率可分為化學漿和高得率漿。高得率漿包括機械漿、化學機械漿（以下簡稱化機漿）和半化學漿3種。高得率漿具有以下優點：①得率高，不用或少用化學藥品，原材料和藥品消耗少，成本相對較低；②由于木素損失少，紙張松厚度和挺度好，不透明度高，快速吸墨性和壓縮性好，有利于提高印刷性能[1]。

化機漿是高得率漿的一種，是采用化學預處理和機械磨解相結合的制漿方法，得率85%～93%。在我國一定生產規模以上的化機漿基本上都采用漂白化學熱磨機械漿（BCTMP）和預調理盤磨化學處理堿性過氧化氫機械漿（P-RC APMP）工藝，生產的紙漿可以部分替代漂白闊葉木漿，降低紙張成本、改善紙張成形、提高紙張松厚度和挺度等性能，具有良好的前景。在低定量涂布紙、超級壓光紙、輕型紙、白卡紙或涂布白卡紙、液體包裝紙、特種文化用紙、生活用紙等高檔紙產品中廣泛應用。

南方某造紙廠以進口桉木片為原料新建1條BCTMP 生產線（設計產能為1500 t（風干漿）/d）和1 條P-RC APMP 生產線（設計產能為750 t（風干漿）/t）。該生產線所產漿料主要用于配抄液包用白卡紙和特種文化用紙。本文結合設計的實際經驗，介紹了該生產線磨漿車間的主要生產工藝流程、設備特征，并對其廠房和設備布置的設計方案及思路進行了詳細介紹。對于本工程磨漿車間配套的備木工段，不作詳細介紹。

1 設計參數

BCTMP 和P-RC APMP 生產線的基本設計參數見表1。

表1 BCTMP和P-RC APMP生產線的基本設計參數Table 1 Basic design parameters of BCTMP and P-RC APMP production lines

2 工藝主流程探討

圖1 為BCTMP 生產線的工藝主流程，圖2 為PRC APMP 生產線的工藝主流程，二者工藝流程主要包括木片倉，木片洗滌、預浸，高濃磨漿，漿料漂白，漿料洗滌，低濃磨漿，漿料篩選和漿料濃縮等工段。

圖1 BCTMP工藝流程Fig.1 Process of BCTMP

圖2 P-RC APMP工藝流程Fig.2 Process of P-RC APMP

木片倉的主要作用是洗前貯存和汽蒸木片，保證木片洗滌時吸收和勻整水分，保證系統穩定地供料。

木片洗滌系統除去木片中夾帶有少許雜質（如金屬片、石頭以及砂粒等），保護后面的高濃磨系統，否則雜質很容易損壞高濃磨盤片。經過洗滌后的木片通過木片泵送至斜螺旋脫水機脫水后送入木片預汽蒸倉。斜螺旋脫水機具有脫水作用，脫出木片中游離的水，木片經過斜螺旋后，干度可達38%。

汽蒸后的木片通過溜槽進入料塞螺旋（或螺旋擠壓疏解機）喂料器，再送入預浸器底部。料塞螺旋（或螺旋擠壓疏解機）的主要作用是依靠變徑螺旋的壓縮比壓潰已加熱軟化的木片，增大物料的比表面積，使得在后續的預浸過程中木片更好地吸附化學品；其壓縮比可根據擠壓段數和木材品種等設計，本項目中BCTMP 生產線采用維美德技術，其壓縮比為1∶2.5；P-RC APMP 生產線采用安德里茨技術，其壓縮比為1∶4。

當物料通過料塞螺旋的料塞管克服氣動背壓裝置施加的氣動壓力輸出到預浸器后，由于空間突然增大、壓力驟減，物料迅速膨脹，化學藥品大量滲入木片中。同時預浸器螺旋葉片的推進和攪拌作用也使得木片進一步膨脹和分散，有利于木片與化學品之間充分吸附。本項目中進預浸器前的木片干度53%，出預浸器的木片干度35%。

充分吸收了化學藥品的木片在反應倉中充分反應。反應倉需通入蒸汽以提高及調節反應溫度，保證反應效果，反應倉設計溫度90℃。

物料通過料塞螺旋進入與其相連的高濃磨喂料螺旋，再被送入高濃磨。喂料螺旋的高速旋轉使得進料時物料分布在喂料螺旋的四周內壁區域，這樣高濃磨磨漿時產生的二次蒸汽可以從螺旋的中心區域通暢地排出。

在化機漿中高濃磨是關鍵設備，其結構形式分為平盤磨和錐形磨。本項目BCTMP 生產線引進維美德公司的2 臺RGP 82CD 錐形壓力磨，2 臺高濃磨并聯布置。P-RC APMP 生產線引進2 臺安德里茨公司的S2070 盤式壓力磨，2 臺高濃磨并聯布置。二者都是通過側喂料料塞螺旋進料，由盤磨喂料螺旋、磨區、傳動電機及液壓、潤滑、冷卻、密封和安全等輔助系統組成。

對比本項目2 條化機漿生產線，漂白前2 條化機漿生產線的工藝基本相同，但是漂白與洗漿選擇的工藝路線卻不同。

2.1 BCTMP生產線漂白工藝

本項目采用中濃漂和高濃漂兩段漂白。

預浸漬階段主要加入堿液，對木片進行充分地潤脹，以提高后續的漂白效率。

（1）中濃漂白

BCTMP 系統供應商認為，高濃漂白漿料洗漿后，濾液中殘余一定量的化學品，若能將這部分化學品回用，在高濃漂前設置中濃漂白，則漿料達到同樣白度的情況下，既能減少化學品的消耗，又可以降低廢水中的COD 含量。中濃漂白的漿料濃度約14%，漂白后漿料稀釋到約8%濃度，通過中濃泵泵送到一段洗漿設備。

（2）一段洗漿

一段雙輥洗漿機出來的漿料濃度達到30%左右，再通過化學品混合螺旋送入高濃漂白塔。洗漿機出來的濾液通過纖維回收系統，回收纖維送入到中濃漂白塔，少部分濾液回用到系統中，大部分的濾液外排做進一步處理。

（3）高濃漂白

過氧化氫等主要的漂白化學品通過化學品混合螺旋與漿料混合后進入高濃漂白塔，高濃漂白塔的漂白濃度約25%，漂白溫度約85℃。在高濃漂白塔內，漿料基本達到預定的白度要求。

（4）二、三段洗漿

經過中濃、高濃漂白后，漿料呈堿性，需通入稀酸溶液調節pH 值，再用中濃泵將其送入二、三段洗滌。二、三段洗滌主要作用是對漿料進行深度洗滌，同時回收漿料中殘余的化學藥品。因生產液體包裝紙板對漿中COD 含量以及抽出物含量的要求更高，故配套了兩段漂后雙輥洗漿機洗滌。

2.2 P-RC APMP生產線漂白工藝

本項目P-RC APMP生產線漂白工藝采用一段漂。

P-RC APMP 系統供應商認為，在螺旋擠壓疏解機及預浸器中加入堿液及過氧化氫，可以起到預漂的作用。由于物料在預浸器及盤磨機中的停留時間非常短，必須要求漿料在高濃條件下停留一定的時間來完成漂白反應。本項目高濃漂白塔容積295 m3，漿料停留時間約90 min，高濃塔內的漿料有充分的反應時間來有效利用磨漿后的殘留化學液以優化漂白反應，提高化學品的使用效率。漂白后的漿料被稀釋到10%的濃度，經中濃泵送到螺旋壓榨機壓榨脫水。經過2次螺旋壓榨脫水洗滌，將漿在漂白過程中所溶解的有機物抽提出來以得到干凈的漿料。

洗好的漿料送入消潛池，再泵送到低濃磨進行磨漿，以達到要求的游離度值。磨后漿料送往篩選系統；壓力篩在化機漿項目中主要作用是選擇性地分離出尺寸較大的纖維束或碎塊，分離出的漿渣被送到漿渣磨機設備，進行進一步的磨漿；磨漿后的漿料通過壓力篩進入濃縮系統，濃縮后的漿料以8%～10%的濃度由中濃泵泵送到貯漿塔貯存，最終將送往紙機系統使用。經過渣磨處理的漿料分別通過渣漿壓力篩、低濃除渣器系統處理，良漿都回用到系統中，廢渣排入廢水處理系統。

3 輔助系統流程探討

3.1 熱回收系統

本項目中BCTMP 生產線產生的二次蒸汽壓力約0.28 MPa，P-RC APMP 生產線產生的二次蒸汽壓力約0.1 MPa。這些二次蒸汽主要用于木片倉預熱木片、預汽蒸倉預熱木片、反應倉加熱木片。多余的高壓力二次蒸汽送往再沸器，再沸器產生的清潔蒸汽可用于工廠的其他車間（如MVR（Mechanical Vapor Recompression）、VE（Vapor Evaparation）工段）。低壓力的二次蒸汽則經過滌氣器裝置，經熱回收后排入大氣。

3.2 白水系統

系統白水分為3 種，造紙車間送來的紙機白水、多圓盤濃縮機產生的濾液和纖維回收多盤產生的濾液。

因紙機工藝需要，造紙白水中含有加填的填料等物質，若混入化機漿系統，將對系統產生不利影響。因此，紙機白水主要用于濃縮后的漿料稀釋，又回用到紙機系統。

多圓盤濃縮機產生的濾液COD 低，回用于內部系統。

纖維回收多盤的進水為漂白后的洗滌濾液，因此，纖維回收多盤產生的清濾液COD 高，不適用于系統內部循環使用，將從系統排出做進一步的廢水處理。車間廢水具體參數見表2。一般常用的廢水處理方式有Fenton工藝及堿回收工藝，利用其對廢水進行處理，以實現達標排放。對于這兩種處理方式，在此不作詳細討論。

表2 廢水具體參數Table 2 Specific parameters of wastewater discharge

3.3 廢渣處理系統

本項目的廢渣主要來自木片洗滌時排出的廢渣和木片洗滌水經濾液除渣器等設備處理后產生的尾渣。木片洗滌時排出的廢渣經砂水分離機脫水后干度可達40%，木片洗滌水的尾渣經壓榨設備處理后干度為35%（具體參數見表3），之后均被送往鍋爐燃燒。

表3 廢渣參數Table 3 Parameters of waste residue

4 廠房及設備布置方案探討

4.1 車間布置圖

磨漿車間占地面積9833.4 m2，建筑兩層布置，局部三層，建筑高度34.8 m。設計內容主要包括磨漿車間及室外桶槽布置。原料堆場及備木車間、廢水處理站等布置在廠區其他地方。本項目采用PDMS 三維協同設計，所有專業均在同一平臺實時顯示，直觀高效。三維設計為項目的采購和安裝提供了精準的圖紙和材料清單，三維Review 文件為安裝提供了便利條件。磨漿車間功能區域劃分圖見圖3，三維布置見圖4。

圖3 磨漿車間功能區域劃分圖Fig.3 Refining workshop functional area division diagram

圖4 磨漿車間三維布置圖Fig.4 Three-dimensional layout drawing of refining workshop

磨漿車間工藝流程由西往東，呈一字型，廠房朝東西向布置。備木工段布置在磨漿車間西側，過氧化氫及堿液等甲類危化品儲存罐區布置在磨漿車間西側，普通化學品儲罐區布置在廠房南側，成漿塔等塔區域布置在磨漿車間東側，車間內配電房設置在磨漿車間的南面和北面。

4.2 磨漿車間廠房設計

BCTMP 和P-RC APMP 生產線布置在同一建筑物內。BCTMP 主廠房長121 m，主跨寬31 m，P-RC APMP 主廠房長121 m，主跨寬29 m，采用主輔跨結構形式，建筑物的火災危險性分類為戊類，耐火等級二級。主生產線設備均布置在主跨內，機柜室及控制室布置在主跨內，變壓器室、配電室及辦公室均布置在主跨兩側的輔跨，熱回收系統、化學品備料、廢水廢渣處理以及成漿儲存塔均布置在室外。

4.3 磨漿車間設備布置方案

廠房西側為木片輸送皮帶進料，設備從廠房南側及北側進入，二樓樓面設有吊物孔。

本項目中配置了2 臺維美德的高濃磨，每臺高濃磨電機功率20000 kW。因高濃磨安裝及檢修時對空間的要求以及其基礎減震的特殊要求，布置在主跨的底層并設置局部操作層，且高濃磨基礎與廠房基礎脫開，獨立設置。同時在高濃磨上方的二樓樓面預留一定尺寸的開放空間，以滿足高濃磨的安裝檢修及更換磨片的要求。在廠房西側，主跨內設置局部三層（層高＋18.5 m），主要放置木片洗滌機、旋風分離器以及雙輥洗漿機等設備。

本項目漂白塔室外放置，漂白塔高約20 m，因此將纖維分離器及1#雙輥洗漿機布置在18.5 m的三層樓面上，旋風分離器后的漿料需要通過提升螺旋輸送到漂白塔。洗漿設備、低濃磨、篩選設備、濃縮多盤等按照流程，依次從北往南布置在主跨二樓東面。保證流程的連續性，管道不交叉布置以及滿足行車對其的吊裝要求。

本項目化學品均外購配置好的溶液，現場設置槽罐做卸料及日用儲存罐。過氧化氫按照生產要求設2個950 m3槽罐。本項目外購過氧化氫濃度27.5%，按照危險貨物品名表（GB 12268—2012），定位5.1 類：氧化性物質。按照儲存物品的火災危險性分類定為甲類。按照建筑設計防火規范（GB 50016—2014）,甲類液體罐區總儲量1000≤V＜5000，其與二級耐火等級建筑物的防火間距為25 m，防火堤外側基腳線至相鄰建筑物的距離不應小于10 m。本項目中，過氧化氫槽罐布置在廠房的西側，槽罐區設有防火堤，槽罐壁距廠房的距離為25.5 m，防火堤外側基腳線至相鄰建筑物的距離為14 m，均滿足規范要求。同時，因系統供應商為歐洲國家，根據我國相關規范及歐盟標準，過氧化氫槽罐還做了如下設計：槽罐帶有溫度檢測及報警裝置，頂部裝有遮陽頂蓋裝置、固定的冷卻水裝置及稀釋用水管道，同時配有帶阻火器的呼吸閥和泄爆安全裝置，與過氧化氫接觸的材質均選擇不銹鋼316L；槽罐區設有清水清洗噴淋設施，以保證人身安全。

5 結語

目前，較大生產規模的化機漿生產線進口關鍵設備主要集中在安德里茨（中國）有限公司和維美德（中國）有限公司兩家供應商，且近幾年這兩家供應商從工藝和設備配置情況來看差異較小，自制化機漿生產技術已趨于成熟穩定狀態。針對桉木化機漿，維美德與安德里茨近年來的工藝流程設計越來越接近，都采用了高濃磨+低濃磨配置的兩段磨漿技術，堿性過氧化氫處理工藝，都采用段中漂。

高得率漿中的BCTMP 及P-RC APMP 工藝是目前世界上先進、成熟的化機漿生產工藝。由于禁廢、限塑令等政策的影響，高端包裝紙及高檔文化用紙產能在我國近幾年呈急劇上漲趨勢，可以預計到的是，未來一段時間化機漿市場會有廣闊的前景。