第七章漂白设备

制浆造纸设备第七章漂白设备第一节概述方法可分为两大类：一类是使用漂白剂，通过氧化作用使木素溶出以实现漂白的目的，常用的漂白剂有漂白粉、氯、次氯酸盐、二氧化氯、氧、臭氧、过氧化氢等，当对纸浆白度要求较高时，就采取这种方法；另一类漂白是保留而不是溶出木素，仅使发色基团脱色，这种方法漂白的损失很小，并保持了纸浆的特性，一般用于高得率浆的漂白，常用的漂白剂有过氧化氢、连二亚硫酸盐等。其中过氧化氢既能改变木素的发色基团而作为“表面漂白剂”，也能脱木素而作为氧化漂白剂。一、漂白过程的段与序纸浆漂白的过程因制浆原料、制浆方法、采用的漂白剂和对纸浆白度的要求不同而可有不同的流程和漂白段顺序。二、漂白段的基本配备各种漂白段的配备基本上都是由洗涤浓缩设备、纸浆输送设备、纸浆与漂白剂及助剂的混合设备、漂白反应塔、漂白剂制备系统等组成，这些设备同漂白段中的纸浆浓度有关。就某段漂白或整条漂白生产线来说，漂白可以在低、中、高三种不同的纸浆浓度下进行。从目前工程实例看，通常认为纸浆浓度3.5～6%时为低浓漂白，7～15%时为中浓漂白，25～30%时就为高浓漂白。三、纸浆漂白技术的发展传统的低浓纸浆氯漂白，漂白剂为元素氯或含氯化合物，所以排放的废液对环境产生严重污染。虽然可通过逆流洗涤循环使用而减少废液量，但漂白污染负荷没有减少，始终是制浆造纸厂的严重污染源。纸浆在低浓条件下CEH三段漂白，排出废水中含有大量可吸附的有机卤化物（AOX）。我国也在2001年1月1日起执行的造纸工业废水污染物排放标准中，把AOX限量排放作为参考指标，并将过渡为控制指标，说明我国已开始注意到AOX的危害。现代漂白技术，尽量取消低浓条件下漂白，实现中浓或高浓纸浆漂白，实现少氯或无氯漂白，工业界称为ECF或TCF漂白，这样可减少用水量，减少漂白剂和助剂的消耗，简化流程，节能降污，大幅度减少AOX的排放量。纸浆在中高浓条件下进行少氯漂白，就是无元素氯漂白，如ODEoD,ODEoPDD等漂白顺序均属于无元素氯漂白；纸浆在中高浓条件下进行无氯漂白，就是采用不污染环境的漂白剂漂白纸浆，如O、P、Z等漂白段以及由它们组成的漂白顺序均属于无氯漂白。有资料报道，CEH传统三段漂白生产每吨风干浆将排放4.5～8kg的AOX，对用氯量较多的制浆厂，其排放的AOX量会更高。在我国推广中高浓纸浆少氯或无氯漂白是今后我国造纸工业的重要措施。第二节CEH传统三段漂白设备CEH三段漂白程序对易漂纸浆，在保证纸浆强度及其他品质条件下，白度可达80％以上。更高的白度或针对特殊的浆种，可多至4～7段的多段漂白，如表7-2所列的CEHH、CEHED、CEHEDH等漂白顺序，均属多段含氯漂白。一、漂白流程及所需设备（一）漂白流程目前通过改进，低浓流程中的碱处理和次氯酸盐漂白可采用在中浓条件下进行，这样整个多段漂白流程及设备就有所变化。碱处理塔及漂白塔均采用降流塔，纸浆经碱处理和漂白后，在碱处理塔和漂白塔底部要加液体稀释，并增设搅拌器混合均匀后由低浓浆泵抽出。（二）所需漂白设备浆泵、混合器、氯化塔、碱处理塔（低浓或中浓）、次氯酸盐漂白塔（低浓或中浓）、推进器（作搅拌器用）、针形阀和洗涤浓缩设备。二、氯化段及氯化塔三、碱处理段及碱处理塔四、次氯酸盐漂白段及漂白塔五、混合设备混合设备是CEH三段漂白的关键设备，漂白剂与纸浆混合得均匀与否，将直接影响纸浆的漂白质量。特别是氯化反应速度很快，因此要求混合强度高，必须在短时间内迅速完成纸浆与漂白剂的均匀混合。E段及H段也有的是在8～15%的中浓度下进行漂白的，即使是4～6段的多段漂白，除氯化段之外均可以采用中浓处理或漂白，因此其纸浆与漂白剂及其他化学药剂的混合除采用单辊或双辊混合器外，还可采用现代混合设备，即中浓浆泵配用中浓高剪切混合器。（一）传统浆氯混合器早期的浆氯混合器大都是机械搅拌式的，其电耗、造价、占地面积及维修工作量均较大，目前多选用静态浆氯馄合器。1．螺旋桨式浆氯混合器2.费斯开林浆氯混合器3．静态浆氯混合器图7-13氯水分散器示意图了基本匀质的氯水混合物。氯水混合物与纸浆一起通过静态浆氯混合器，可促进氯化反应和提高反应的均匀度。（二）双辊混合器和单辊混合器双辊混合器如图7-14所示，可用于碱处理段和次氯酸盐漂白段的化学药液与纸浆的混合。视化学药液的性质而采取防腐措施。还装有蒸汽加热管，在运作过程中同时通汽加热，以提高纸浆的温度使之符合漂白工艺的要求。除双辊混合器外，还有单辊混合器，在结构上除把两根搅拌辊改为一根搅拌辊外，其他没有区别。单辊混合器能力较小，混合效果也不如双辊混合器。六、次氯酸盐漂液的制备简介用间歇法制备次氯酸钙漂液简单流程如下：连续制备次氯酸盐漂液设备主要用于大、中型制浆造纸厂。第三节中高浓纸浆氧漂白设备纸浆在中浓条件下用氧作为漂白剂进行漂白，具有如下的优点：(1)由于氧作为对环境友好的漂白剂，漂白后所产生的废液污染小，氧漂白也称为无（少）污染漂白。(2)漂白剂费用低，由于制氧所耗电力比制造次氯酸盐和二氧化氯所耗电力要低得多，特别对电费昂贵的国家和地区，以氧作为漂白剂就显得更为便宜。(3)漂白后纸浆返色少，强度也与传统多段漂白浆一样。由于氧漂白的基本原理是利用分子氧的强氧化剂作用并在碱性介质中对纸浆中木素进行氧化降解而溶出木素，因此，在工程上常称为氧脱木素，设置在蒸煮工段之后。氧脱木素技术已经成为生产高白度漂白化学浆的必须工序。漂白后纸浆返色少，强度也与传统多段漂白浆一样。目前，多数国家使用氧漂白的目的，在于降低漂白的废液对环境污染负荷。经氧漂白（或氧脱木素）后的纸浆，再用其他漂白剂进行漂白，与传统CEH多段漂白比较，其废液中BOD可减少30～40%，COD可减少40～50％，色度降低60～75％，而且废液不含毒性物质，AOX大幅度减少，符合国家环保要求。纸浆可以在低浓、中浓或高浓条件下进行氧漂白，但在低浓下进行氧漂白时，占用的设备容积较大，且用氧量也较大，漂白效率低；在高浓条件下进行氧漂白，存在氧与纸浆的混合问题，进行搅拌混合动力耗费过大，也存在容易氧化燃烧的隐患。近些年来，在工程实际中纸浆均在中浓条件下进行氧漂白。中高浓纸浆氧漂白段同样标记为O，属无氯漂白。一、中浓纸浆氧漂白的流程及所需设备图7-16所示的是中浓纸浆氧漂白段流程的一种形式。由于氧漂白是带压漂白，故纸浆可在塔顶喷放排出进入喷放塔，或在塔顶经稀释水稀释成为低浓度后喷放入贮浆塔，再泵送去洗涤。所需的设备有：洗涤浓缩机，蒸汽混合器，中浓浆泵，中浓高剪切混合器，氧漂白塔，喷放塔。图7-17所示另一种形式，常称为双氧漂白塔流程，纸浆在中浓条件下经在第一氧漂白塔漂白后，由于压力的推动，从塔顶排出并进入第二中浓高剪切混合器，与氧及补充的蒸汽混合后从第二氧漂白塔底部进浆口进入第二漂白塔，再从塔顶带压喷放入喷放塔，经稀释后由安装于喷放塔底部的浆泵抽送去洗涤。与第一种流程相比，氧脱木素可达到50％以上，这一漂白流程可大幅度提高氧脱木素率，资料报道，可达到50～55％，但这种氧漂白技术，不管从工艺到设备，都具有更高的技术性；对中浓浆泵，中浓高剪切混合器及氧漂白塔等装备的技术指标要求很高。二、氧漂白塔（一）氧漂白塔基本结构中浓氧漂白塔为带压的升流式漂白塔，图7-18显示了用于氧漂白的升流塔内部结构情况。从图中可以看出，氧漂白塔除塔体以外，还在塔底安装有纸浆分散器，在塔顶安装卸料器以及喷浆管。（二）塔顶带压卸料器如图7-19所示。(a)为卡米尔公司的产品，是一个耙形回转件，在耙形回转件回转过程中，就把塔顶周围纸浆刮入塔中心区域，并从塔顶排浆口喷出；（b）为桑斯—迪费勃莱特公司的产品，是一个具有伞形刮板的刮料器，在伞形刮板旋转过程中，把纸浆从塔周围刮入塔中心区域，并从塔顶轴心排浆口喷出。这两种卸料器都会引起一定的压力降，增加了中浓浆泵的负载。（三）纸浆分配器安装于塔底的纸浆分散器也有多种型式，主要为下面两种结构型式。1．转盘式纸浆分配器这种纸浆分配器的结构如图7-20所示。纸浆进入塔底后，由于塔底转盘的回转，就把纸浆通过转盘与塔底所形成的锥形通道均匀分布于塔底四周，保证纸浆在塔横截面上具有一致的升流速度。2．旋转臂式纸浆分配器这种纸浆分配器如图7-21所示。纸浆进入塔底后就被送入旋转臂，旋转臂在不断旋转同时就把纸浆输送到塔底四周，同时也保证纸浆在塔内具有一致的升流速度。因此也可把旋转臂称为纸浆分配臂。三、中浓混合器（一）气液质量传递由于中浓纸浆纤维细胞腔和细胞壁中含有40％以上的水分，氧气在与纤维接触之前，必须经过一个气液质量传递过程，氧气先溶于纤维表层的水中，然后通过中浓混合器的作用，与纤维细胞腔和吸附于细胞壁的水进行快速的交换，氧气又溶于交换出来的水中，重复循环，直到纤维完全被溶于水中的氧包围为止。（二）对在高剪切作用下介质的湍流强度要求更高氧气泡的大小直接影响到扩散速率，氧气泡越小，越有利于扩散，有利于混合。但要实现更小体积的氧气泡，主要决定于气、液、固三相的湍动程度，从而也取决于中浓混合器所产生的剪切应力。（三）满足带压混合的要求用于氧漂白的中浓混合器是在压力场中工作，所有机件要满足压力条件的要求，特别是密封件。目前中浓氧漂白生产上较多使用卡米尔MX中浓混合器，及奥斯龙AHLMIX中浓混合器。目前市面上销售的华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心生产的中浓高剪切混合器，有50t、loot、150t、200t等多种规格，混合效果也很好，也可用于中浓氧漂白。价格仅为进口设备的1/3。四、氧漂白塔的强度设计计算中浓纸浆氧漂白是在一定压力下进行的，工艺上一般要求塔顶表压力在0.4MPa以上，因此氧漂白塔就属于压力容器。在设计氧漂白塔时，除了工艺设计以外，还要进行强度设计计算，以保证氧漂白塔在运行时具有可靠性和安全性。氧漂白塔在强度设计计算中，主要是圆筒体部分的壁厚计算。本段主要讨论内压圆筒的强度计算问题。如读者希望了解有关更详细的内容，可参考《压力容器》及《化工机械手册》等教材及著作。（一）运用第一强度理论计算氧漂白塔塔体部分壁厚可把氧漂白塔塔体部分看为内压圆筒体。根据第一强度理论，内压圆筒体的强度条件为：(7-5)若考虑到介质对圆筒的腐蚀作用，以及钢板厚度的不均匀和制造过程中的损耗等原因，在最后确定所计算的壁厚时，要增加一壁厚附加量C。（二）运用第四强度理论计算中氧漂白塔圆筒体部分壁厚如根据第四强度理论，圆筒体的强度条件为：(7-7)在工程设计中，目前常用式(7-5)进行设计计算，也就是说采用第一强度理论推出的设计公式。在工程实际中，已知圆筒体容器的壁厚、材料及内径，求最大允许工作压力时，就可从式（7-5）得：同样，通过式(7-7)也可以得出最大允许工作压力，此时设计压力为：式(7-7)只适用于塑性材料的内压圆筒容器的设计。（三）设计公式中各参数的确定1．设计压力最大允许工作压力是指压力容器在工作过程中可能产生的最高表压力，由工艺过程的技术指标确定，那么，一般设计压力p就取略高于最大允许工作压力。如氧漂白塔使用了安全阀，就取设计压力为最大工作压力的1.05～1.10倍。对一般反应容器，当操作压力由于化学反应等原因会突然上升时，按其升压速度的快慢，取最大允许工作压力的1.15～1.30倍作为设计压力。2．设计温度温度在计算公式中没有直接反映出来，但它对选择材料及选取许用压力有直接关系。设计温度一般取压力容器工作过程中，在相应的设计压力下容器壁可能达到的最高或最低的温度，而且只有在-20℃以下时，设计温度才取最低温度。3．许用应力[σ]在设计温度下的许用应力值，可以根据不同材料查有关资料。是按材料各项强度数据分别除以相应的安全系数，取其中的最小值，即取下式中的最小值：4．焊缝系数φ设计计算中所取焊缝系数的大小，主要是根据压力容器受压部分的焊缝位置、焊接接头