置换间歇式蒸煮的新进展

                                                    《中国造纸》2007年第26卷 第12期

                                                    吕定云1　韩小娟1　汤　伟1,2

(1. 陕西科技大学造纸工程学院，陕西西安，710021；2. 陕西西微测控工程有限公司，陕西咸阳，712081)

摘  要：介绍了置换蒸煮技术的起源及发展历程，简述了该技术在全球的应用情况，重点论述了DDS置换间歇式蒸煮系统的优越性， 如DDS系统置换洗涤效果好，成浆卡伯值低、强度好、得率高，可降低蒸汽及化学药品消耗，对环境友好等。

关键词：置换间歇式蒸煮；DDS；起源；进展

中图分类号：TS743　　文献标识码：A　　文章编号：0254-508X (2007)12-0063-04

吕定云：在读硕士研究生，工程师；主要从事制浆造纸工业自动化方面的研究。

1         置换间歇式蒸煮的起源

在 20 世纪 80 年代，瑞典的 Radar 公司开始尝试在浆料喷放之前从蒸煮锅中收集黑液，并希望在下一个蒸煮周期中回用黑液里含有的残余热能，以实现降低能耗的目的，{zh1}形成了一种新的技术——Radar Displacement Heating( 简称 RDH)；该技术的关键是在喷放之前，用冷的液体来置换蒸煮锅中的热液，被置换出来的液体被贮存在一个由压力容器与常压容器所组成的槽区内；根据置换出的液体温度的不同分别把它们装到不同的容器中。该技术还有其他一些优点，如循环的液体中含有残余的化学药品，这些化学品增加了蒸煮反应的选择性，在蒸煮过程中可以脱除原料中更多的木素，得到较低硬度的浆料，同时可提高浆料强度，减少漂白工段化学药品的消耗。

瑞 典 的 Radar 公 司 当 时 隶 属 于 芬 兰 的Rauma Repola公司,Rauma Repola 公司后来把 Radar 卖给美国的 Beloit 公司，并协议约定，Rauma Repola 公司可继续保留使用 Radar 在那时所发展的 RDH 技术；在 RDH 出现的同时，瑞典的 Sunds Defibrator 公司也正发展与销售另一置换技术，名为 Cold Blow；Rauma Repola 公 司 把 Radar 卖 了 以 后， 又 收 购 了Sunds Defibrator公司，他们把可继续使用的 RDH 技术与Sunds Defibrator的 Cold Blow 系统结合在一起，推出了新系统 SuperBatch。与此同时 Beloit 公司仍然以 RDH 为商标在市场上销售该系统，但 RDH 的含义已经改为 Rapid Displacement Heating；Beloit 公司也对该系统进行了改进，发展形成了一系列 RDH 品牌， 如 RDH-II、RDH-III、RDH-IIIM 和 RDH-2000。其他公司也企图用不同商标 ( 如 EnerBatch 和 CBC)采用循环药液的方法来销售间歇式蒸煮系统，但只有 RDH 家族与 SuperBatch 的产品最成功。由于不同供应商对他们提供安装的置换间歇系统都进行了不同程度的改进，使得系统在热能与化学药品的回收、木片的浸渍和产能等方面都得到了不同程度的改善和提高，所以没有任何两套系统是xx一样的。

最初的置换技术专利由 Beloit 公司所拥有，其技术专利的服务范围不包括亚太地区的国家；1998 年Beloit 解体，被加拿大的 GL&V 公司收购，原 Beloit公司所拥有的相关专利也同时由 GL&V 公司购买。

CabTec International llc 公司的专业人员综合多年的置换蒸煮经验，以 Beloit 的 RDH 蒸煮系统为基础，对 RDH 系统多处进行了改进；CPL 公司 (Chemical and Pulping Ltd.) 又结合 CabTec International llc 所做的改进，推出了更灵活的置换间歇式蒸煮系统——DDS( Displacement Digester Systems)， 不久又推出以节省蒸汽为主要目的节能置换蒸煮系统 DSS(Digester Steam Saver); 目前正在申请 DSS的专利。CPL 公司拥有硫酸盐间歇式蒸煮系统技术， 且是CabTec International llc 公司间歇式蒸煮系统的{wy}发行者。

2         置换间歇式蒸煮的应用实例

图 1 展示了全球配备置换间歇式蒸煮系统的造纸厂及 CabTec International llc 所参与建设的工程项目。

图1 世界各地采用DDS/RDH技术的企业分布图

3         置换蒸煮的相关技术

3.1　常规间歇式蒸煮

常规间歇式反应器是在一个间歇的程序中进行操作。即把反应剂放到反应容器中进行反应生产产品，完成一个周期，然后再不断地重复操作。该反应的产品是纤维，副产品是黑液。纤维是伴随黑液一起从蒸煮锅中排出来的，这些混合物 ( 浆料 ) 含有残余的热量与未全反应的化学药品。

3.2　置换蒸煮的基本特点

对于置换蒸煮工艺，尽管有不同的商标与不同的供货公司，但是对于所有产品，它们的置换间歇技术的基本原理是一致的，即把原料 ( 木片或竹片 ) 送进间歇式反应器中，从槽区抽入的各种不同的液体经过反应器中的料片层，使原料{zh1}变为纤维，接着纤维被排出反应器，为下一个间歇反应或“蒸煮”作好准备。槽区贮存的不同液体的温度与化学药品的特性不同。在蒸煮周期的每一步骤中，原料在不同的化学品浓度之下，被加热或冷却进行蒸煮反应。CPL 的DDS 置换蒸煮系统通过强大的槽区，控制蒸煮周期中不同阶段的蒸煮工艺条件，使得蒸煮工艺控制更为灵活。它实现了通常只有在连续蒸煮系统中才能实现的功能；通过在不同蒸煮阶段优化工艺参数，大大提高了所得蒸煮浆料的质量，并且系统的热量得到了充分利用，节能效果明显。

3.3　槽区

槽区是为生产产品的蒸煮锅服务的，它由一定数量的用来贮存液体的容器组成，这些容器大部分是压力容器，可以使槽内液体保持较高的温度与压力。从蒸煮锅进入槽区的每一个容器的液体量以温度与物料平衡为基础，不使用的液体从槽区排放出去时，将把多余的热量转移到进来的液体或加热冷水。根据原料的种类与质量，以及所期望成品的类型与质量，可有不同的槽区结构。根据蒸煮阶段的不同，系统包括回收黑液槽、冷黑液槽、温黑液槽、热黑液槽、冷白液槽、热白液槽、喷放锅以及一些热交换器。

4         DDS置换蒸煮系统

4.1　蒸煮操作

一个蒸煮周期包括以下操作过程：

(1) 装料 (LC)：

这个操作与传统的间歇蒸煮一样：把木片、冷黑液和一些冷白液装入蒸煮锅，保证 pH值≥ 12。冷液体用于装填木片及中和木片表面的木酸。在操作的后段，装料阀关闭，蒸煮锅与外界常压断开进入带压状态。

(2) 温黑液充装 (IC)：

蒸煮锅用温黑液和冷白液来充装，并把锅内装料过程中加入的冷黑液置换出来，同时开始脱木素。随着蒸煮锅温黑液液体充装，锅内的压力和温度被提高，脱木素不断进行；当蒸煮锅被提高到足够的温度时，木素得到{zj0}的去除。

 (3) 热黑液充装 (MC)：

用热黑液和热白液来充装蒸煮锅，把前一步温充操作中加进的温黑液置换出来。随着蒸煮锅温度的提高，脱木素继续进行。高温的黑液由于加入的碱较少，可降低对纤维素和半纤维素的降解。

(4) 蒸煮 (FC)：

该操作与常规间歇蒸煮一样。在升温期间，如果需要，就利用蒸汽加热蒸煮锅到需要的{zg}蒸煮温度。在保温期间，蒸煮锅在一定的蒸煮温度下保持适当的时间。在这个操作期间，根据锅内上中下三部位的温度情况来决定是否需要继续循环蒸煮锅内蒸煮液。总的蒸煮时间可用 H 因子或 CPL 公司的脱木素确定因子 DDF 来决定。

(5) 置换 (RC)：

利用洗浆的滤液把热蒸煮液置换出来，同时锅内料液被冷却。被置换出的热黑液贮存在槽区内 (170℃到热黑液内槽、150℃到热黑液外槽、130℃到温黑液内槽、110℃到温黑液外槽 )，并在下一个蒸煮操作中回用。置换{zh1}使得蒸煮锅内容物被冷却至低于常压的闪蒸温度 (100℃ )。

(6) 放锅(DC)：

在这一操作中，用泵把被冷却至低于常压闪蒸温度的蒸煮锅内容物抽出锅外，进行冷喷放；除此之外，其余的过程与常规间歇蒸煮一样。

4.2　DDS 蒸煮系统的特点

(1) 回用黑液中的热能

DDS 系统用泵输送的药液或黑液经过蒸煮锅内木片层来提高蒸煮锅的温度，使它在常温下开始，一直升温达到或接近{zg}蒸煮温度。泵送药液的两个阶段被称为初级蒸煮与和中段蒸煮，由于回用了前一蒸煮过程置换出来的黑液，使得黑液中的热能得以利用，大大降低了蒸汽的消耗。

(2) 提高浆料强度

在初级蒸煮和中段蒸煮所使用的药液中，尽管温度达不到{zh1}的蒸煮温度，但已有化学反应和足够的热能去脱除木材与竹子原料的木素，此方式使原料在进入蒸煮保温阶段之前已去除超过 50％的木素，因而，{zh1}去除的木素可在较高的蒸煮温度、较低的碱浓度下发生 ( 见图２)，进而可减少对纤维的破坏。即与常规蒸煮相比，DDS 系统可在相同的浆料硬度下能生产较高强度的纤维，或在浆料强度相同的情况下可获得硬度较低的浆料。

图2 DDS系统蒸煮中木素的脱除

(3)DDS 系统槽区与蒸煮锅的工艺连接

DDS 蒸煮锅类似于传统的蒸煮锅，只是增加了槽区，在该槽区可以贮存不同温度和化学特性的黑液，蒸煮时可以回用槽区的黑液。以木材与竹子为原料的置换硫酸盐间歇式蒸煮系统，能节省更多的能源以及降低浆料硬度，在漂白段又可以节省大量的化学漂剂，可得到更高强度的纤维。根据所希望节省蒸汽的量，DDS 可分为２种结构——DDS P 型与 DDS G 型。

图3 展示了与蒸煮锅连接的管道配置，图4、图5是DDS 和 DDS G 型槽区与蒸煮锅之间的配管。

图3  DDS蒸煮锅

图4  DDS P型流程图

图5  DDS G型流程图

4.3　DDS 与 RDH 的比较

DDS 是一个以间歇式反应器为基础的蒸煮系统，其设计是通过槽罐与热交换器等设备进行化学品与热能的回用。该技术对传统间歇式蒸煮与 Beloit 的RDH 系统不足之处进行了改进，是传统间歇式蒸煮与Beloit 的 RDH 系统的近代升级版本；它秉承了 RDH的优点，比如不需要喷放的热回收系统，减少了粗渣率及漂白工段的药耗，蒸煮置换的过程相当于一段洗浆，操作灵活，可以得到低硬度、高强度的纸浆，环境友好等。

从 DDS 的运作过程来看，DDS 的操作过程与RDH 基本一样，都包括装料、温充、热充、升温/保温、置换、冷喷放等 ；但它采用了先进的计算机控制技术，对药液偏流、槽区液位的预测、放锅过程堵塞等问题有了更好的解决办法，使操作中操作人员的干预大大减少，系统运行更稳定。更关键的是它扩展了温充的作用，提高了纸浆得率，得到了低硬度、高强度的纸浆。因此这套工艺特别适用于ECF与TCF漂白工艺。另一个改进是槽区的改造。DDS 的槽体采用内外槽相套的结构形式，这样使得槽区结构紧凑、占地面积缩小、操作更方便灵活 。[1]

广东鼎丰纸业有限公司在我国首先引进了 RDH 系统，并于 2004 年升级改造为 DDS 系统，原设计的 3个 120 m3 的蒸煮锅经生产优化产量由原 5 万 t/a 增加到 7 万 t/a，2004 年增加 1 台蒸煮锅改造后产量提高到 10 万 t/a；DDS 与 RDH 蒸煮数据见表 1。由表 1可以看出 DDS 蒸煮工艺更多的优越性 。[2]       

5         DSS蒸煮系统

目前 CPL 公司又推出节能蒸煮系统 (DSS)，但它仅是设计用来节省蒸汽的，没有回用蒸煮后的黑液，因此它不能获取置换蒸煮系统 (DDS) 中回用蒸煮后黑液中所含有的化学药品。它有 3 种结构：DSS E 型、DSS T 型 以及 DSS D 型。

DSS 不需要槽区，DSS T 与 D 型两者都需要一个小槽区，而 D 型允许像置换蒸煮系统那样对热能进行回收 ( 相当于一段洗浆 )，然而黑液不能像 DDS 系统那样进行回用与得到化学品。所有的 DSS 结构相当经济，它是对 DDS 的初期选择，因为它的所有设备在将来改造为真正的置换蒸煮系统 DDS 时都能回用。

据 CPL 公司资料介绍，常规间歇式硫酸盐蒸煮中每吨浆耗 2.5 t 蒸汽，而 DSS E 型、DSS T 型、DSS D型每吨绝干浆分别消耗 1、1、1.4 t 蒸汽，在蒸煮锅中的洗涤都相当于 1 台真空洗浆机。

从 DSS E、T 到 D 型，系统设备逐渐增加，投资逐渐加大，而系统运作费用逐渐减少。这些系统在将来都可以升级。

6          结　语

DDS 置换间歇式蒸煮系统是间歇蒸煮技术的{zx1}成果，相对于常规间歇式蒸煮系统，其具有较多的优越性，在一定程度上与连续蒸煮非常相似。通过不同蒸煮阶段工艺的优化，可以获得高质量的浆料，如DDS 系统置换洗涤效果好，成浆卡伯值低、强度好、得率高，降低了蒸汽及化学药品的消耗，对环境友好等。此外，现有的间歇式蒸煮系统，容易被改造成DDS 置换间歇式蒸煮系统，且其也容易被改进，能快速进行原料与产品的切换，卡伯值波动少，而且容易扩大新系统的产量。DDS 置换蒸煮系统美中不足的就是设备投资比较大。总体来说，置换间歇式蒸煮系统也是制浆技术发展的一个重要方向。

参　考　文　献

[1]　黄干强. RDH蒸煮原理与技术[J]. 广东造纸,2000(5):28

[2]  丁仕火, 张铭锋, 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

The Latest Development of Displacement Batch Cooking

LV Ding-yun1*, 　HAN Xiao-juan1　TANG Wei1,2

（1.College of Papermaking, Shaanxi University of Science and Technology; Xi'an, Shaanxi Province, 710021; 2. Shaanxi CIWE Process Automation Engineering Co. Ltd., Xianyang, Shaanxi Province, 712081）

(* E-mail:ldylaf@163.com)

Abstract: The origin and development of DDS (Displacement Digester Systems) were reviewed. The application of DDS in the world was introduced briefly. DDS is the latest development of batch cooking system and has undergone many evolutions and modifications. It has many advantages compared with traditional cooking system. A complete cooking cycle of DDS includes six operations: chip fill(LC), initial cook operation(IC), middle cook operation(MC), cooking(FC), recovery(RC), discharge(DC). DDS represents an important trend of pulping technology.

Key words: displacement; digester system; DDS; origin; cooking cycles