Наполнение котла щепой и щелоком

 

Процесс варки начинается с наполнения котла щепой. Дре­весный отдел работает непрерывно (или две смены в сутки), а котлы загружаются периодически, причем единовременно на это требуются большие массы щепы. Поэтому щепу приходится на­капливать в запасных бункерах или силосах.

На предприятиях старой постройки бункера для щепы обычно расположены над варочными котлами. Над каждым кот­лом устраивается отдельный бункер. Чтобы щепы хватило на полную загрузку котла, объем бункера над котлом должен быть по меньшей мере равен объему котла, обычно же объем его в 1,5...2 раза больше. Материалом для сооружения бункера служит листовая сталь или железобетон. На рисунке 3.8 показаны в по­перечном разрезе железобетонные бункера трех типов. Во всех случаях бункер заканчивается четырехгранной пирамидальной воронкой с квадратным отверстием, приходящимся над верхней горловиной котла. Отверстие закрывается раздвижными дверка­ми.

Чтобы щепа не застревала в бункере, угол наклона его сте­нок к горизонту должен быть достаточно крутым, не менее 55°. Тем не менее щепа, особенно очень влажная, мерзлая или плохо отсортированная, легко застревает в бункере, образуя арки и мосты, что иногда надолго задерживает загрузку котла. Для встряхивания застрявшей или слежавшейся щепы в бункер под­водят пар или сжатый воздух, а иногда устраивают особые встряхивающие приспособления. Эффективным является устрой­ство, при котором нижняя часть бункера заканчивается не свя­занной с его стенками воронкой из стальных листов. На стенке воронки укрепляют вибратор.

Вдоль бункеров, в находящейся над ними бункерной гале­рее, размещаются один или два ленточных или скребковых транспортера со сбрасывающими тележками для подачи щепы в любой из бункеров.

 

Рисунок 3.8 - Бункера для щепы разных типов

 

На новых предприятиях чаще вместо бункеров, располо­женных над котлами, устраивают наземные склады для щепы, обычно рассчитанные на большой запас. В этом случае щепа в котлы загружается непосредственно с транспортера, располо­женного над горловинами варочных котлов и соединенного с на­клонным транспортером или элеватором, подающим щепу из помещения склада. Производительность всех этих транспортных устройств должна быть достаточно большой, чтобы котел мог быть загружен за положенное время (30...40 мин).

На рисунке 3.9 изображен схематический разрез складского бункера легкой железобетонной конструкции. Бункер разделен продольной вертикальной перегородкой, на которой не может закрепиться арка из щепы. Предусмотренная вдоль оси бункера крышеобразная перегородка уменьшает давление щепы на стенки. Внутри бункера создается не заполненный щепой туннель, в котором может быть устроен помост для прохода с целью на­блюдения за укладкой щепы. В наземный бункер щепа из дре­весного отдела подается транспортером, расположенным в верх­ней галерее. Разгружается бункер через нижние отверстия, обо­рудованные двусторонними шнековыми питателями. Последние перемещаются на тележке вдоль бункера к любому отверстию и выбрасывают щепу на транспортеры, проложенные под бунке­ром.

 

 

Рисунок 3.9 - Поперечный раз­рез наземного бункера для ще­пы с разделительной стенкой

 

Встречаются также наземные бункера в виде высоких железобетонных башен диаметром 10...15 м и высотой до 25 м, закан­чивающихся внизу кону­сом и оборудованных не­обходимыми транспорте­рами для загрузки и вы­грузки.

Чтобы щепа не раз­брасывалась, перед засып­кой к отверстию бункера подвешивают либо встав­ляют в горловину котла широкую воронку. На новых предпри­ятиях к нижнему отверстию бункера прикрепляют телескопиче­скую трубу, опускаемую при загрузке щепы в отверстие горло­вины. В случае оборудования котла шаровым клапаном вместо верхней крышки соединительный патрубок между бункером и горловиной котла полностью гарантирует от, разбрасывания щепы.

В зависимости от объема котла, естественная загрузка щепы продолжается от 20 до 40 мин. Однако продолжительность за­грузки нередко возрастает до 1,5...2 ч, если не приняты надле­жащие меры борьбы с застреванием щепы. Для отвода воздуха, вытесняемого из котла поступающей щепой, во время загрузки держат открытым воздушный вентиль, устроенный в верхнем конусе или присоединенный к одному из сдувочных штуцеров.

При естественной загрузке щепа располагается в котле ко­нусом и более плотно укладывается в центре котла.

Количество загруженной в котел щепы имеет важное значе­ние, так как от этого зависит количество сваренной за одну варку целлюлозы, или выход целлюлозы из котла. При естественной засыпке щепы в 1 м ³объема котла помещается от 0,30 до 0,35 м ³плотной древесины; эта величина называется объемной степенью наполнения котла щепой.

Объемная степень наполнения котла зависит ох качества щепы, тщательности укладки, влажности древесины и объема котла. Неравномерная щепа с неровными смятыми краями, (на­пример, технологическая щепа из лесопильных отходов), ложит­ся в котле более рыхло; при прочих равных условиях степень на­полнения щепой из лесопильных отходов на 5...10 % меньше, чем щепой из балансов. С повышением влажности щепы степень наполнения возрастает.

Для увеличения объемной степени наполнения применяют­ся уплотнители разных конструкций: механические, воздушные, паровые. Наибольшее распространение получили паровые уп­лотнители. В этом случае одновременно с уплотнением щепы за счет увеличения ее кинетической энергии под действием струи пара происходит пропаривание и прогрев щепы с частичным вы­теснением из нее воздуха.

Рисунок 3.10 - Паровой уплотнитель типа Свенсона: 1 - фланец;

2 - направляющая труба; 3 - труба для подачи пара; 4 - паро­вая камера

 

В качестве примера рассмотрим уплотнитель типа Свенсона (рисунок 3.10). Он состоит из широкого фланца 1 с резиновой или суконной подкладкой (этим фланцем аппарат ложится на фланец верхней горловины котла), направляющей трубы 2 диа­метром 400 мм и расположенной под ней кольцевой паровой ка­мерой 4, в которую подводится пар по расположенной сбоку трубе 3, изогнутой под углом. Из камеры пар вырывается через 20...24 сопла диаметром около 15 мм, равномерно распределен­ных по окружности и направленных под углом около 22° к вер­тикали. Под действием паровых струй щепа разбрасывается по всему сечению котла. Необходимое давление пара около 0,30...0,35 МПа,но можно применять пар и более высокого дав­ления. Степень наполнения при применении парового уплотни­теля этого типа увеличивается на 30...35 % по сравнению с есте­ственной загрузкой. Удельный расход пара составляет 0,15...0,2 т/т целлюлозы. Лишь часть энергии пара превращается в кине­тическую энергию и расходуется на уплотнения щепы. Значи­тельно большая часть тепловой энергии пара расходуется на по­вышение температуры щепы, которая составляет после загрузки в котле 75...80 °С. Соответственно сокращается расход тепла на нагрев щепы при варке.

Воздух из котла при загрузке щепы с паровым уплотните­лем отводится либо через специальный воздушный штуцер, имеющийся на верхней горловине, либо через один из приспо­собленных для этой цели верхних штуцеров.

Переносные паровые уплотнители требуют значительного времени на их установку в котле и вынимание по окончании за­грузки. На современных предприятиях применяют стационарные паровые уплотнители. Пример установки стационарного парово­го уплотнителя показан на рисунке 3.11.

 

Рисунок 3.11 - Паровой стационарный уплотнитель: 1. - корпус котла; 2 -верхняя горловина;

3 - сдувочная сетка; 4 — сдувочный штуцер; 5 - штуцер для подвода пара к уплотнителю;

6 - стационарный паровой уплотнитель для щепы; 7 - карман автоматической крышки;

8 - приводной электродви­гатель

 

Максимально возможная степень наполнения котла щепой может приближаться к 0,5 м ³древесины на 1 м ²котла. При столь высокой степени уплотнения становится затруднительной цир­куляция жидкости в котле. Сильное уплотнение щепы вызывает также трудности при опорожнении котла. По этой причине ино­гда нижний конус загружается щепой без включения в работу уплотнителя, й варку при высокой степени уплотнения обяза­тельно ведут с Применением принудительной циркуляции.

Для хранения и дозировки варочных щелоков (белого и черного) в помещении варочного отдела устанавливают баки-мерники. Вместимость мерников соответствует количеству ще­лока на две - три варки. Кроме того, в отделе каустизации всегда предусматривается один или два бака большего объема для хра­нения основного запаса белого щелока. Для закачки щелока в котлы мерники присоединяют трубопроводом к всасывающей линии циркуляционных насосов. Температура щелоков при за­ливке в котел составляет примерно 50...60 ° С для белого и 60...80 °С для черного. Для поддержания более высокой темпе­ратуры щелоков, что дает возможность сократить продолжитель­ность заварки, в последнее время применяют подогрев их в теп­лообменниках горячим черным щелоком, отбираемым из котла в конце варки.

Применяется различный порядок заливки щелоков в котел. Наиболее целесообразен такой порядок, когда сначала в котел задают небольшое количество черного щелока, затем полностью закачивают расчетное количество белого щелока и под конец за­качивают оставшееся количество черного щелока. При таком способе в трубах не остается белого щелока, все рассчитанное количество активной щелочи полностью попадает в котел и дос­тигается достаточно хорошее перемешивание белого и черного щелоков. Многие заводы закачивают раньше белый щелок, а за­тем черный. На заводах высокосортной растворимой целлюлозы (при варке с предгидролизом) устанавливают особые смеситель­ные резервуары для предварительного смешения белого и черно­го щелоков перед подачей в котел.

Варочные котлы при натронной и сульфатной варке нико­гда не заполняются щелоком полностью, «под крышку».

 

Процесс варки

 

После окончания загрузки древесины и щелоков начинается нагревание содержимого варочного котла при закрытой верхней и нижней горловине. Различают два способа обогрева:

- острым паром (прямой обогрев), при котором пар вводится внутрь варочного котла;

- глухим паром (непрямой обогрев), при котором тепло пере­дается щелоку в теплообменниках.

В случае прямого обогрева щелок забирается насосом из-под ложного днища в нижнем конусе котла и по наружной цир­куляционной трубе подается в верхнюю часть. Пар внутрь котла подводится по кольцевой трубе, расположенной в месте перехода цилиндрической части в нижний конус или через штуцер, расположенный в нижней горловине. Прямой обогрев имеет ряд не­достатков:

- греющий пар конденсируется внутри котла; конденсат сме­шивается со щелоком и не может быть повторно использован в качестве питающей воды паровых котлов;

- по той же причине щелок разбавляется конденсатом пара. На современных предприятиях повсеместно используется нагревание глухим паром.

 

Рисунок 3.12- График медленной варки: 1 - температура; 2 - давление

 

В мировой практике сложилось два способа ведения процесса - медленная варка и быстрая варка.

Основной признак медленной варки - растянутая во време­ни заварка. На рисунке 3.12 показан график медленной варки, за­имствованный из практики одного из заводов, вырабатывающих целлюлозу для электроизоляционной бумаги. Варка ведется с принудительной циркуляцией щелока и непрямым обогревом. После загрузки щепы и заливки щелока пускают пар в подогре­ватель и начинают подъем температуры и давления. Через 40 мин давление равно около 0, 35 МПа и температура около 120 °С. В этот момент открывают сдувочный вентиль и дальнейший подъ­ем давления и температуры ведут медленнее, при непрекращаю­щейся сдувке, пока по истечении 2,5 ч от начала заварки не будет достигнута конечная температура 168 °С и давление 0,75 МПа. В течение всего времени заварки производится интенсивная цир­куляция щелока в котле, которая не прекращается и после дос­тижения максимальной температуры при закрытом паровом вен­тиле. На конечной температуре котел выдерживают 2,5 ч, после чего циркуляционный насос останавливают, открывают сдувоч­ный вентиль и в течение 1 ч спускают давление в котле до 0, 35...0,4 МПа. Перед самой выдувкой циркуляционный насос вновь включают на 5...10 мин, чтобы несколько разрыхлить мас­су, и затем открывают выдувной клапан. Выдувка длится 40 мин. Продолжительность собственно варки составляет 6 ч 40 мин, а полный оборот котла (включая загрузку древесины и закачку щелоков) - 8 ч.

Применение медленных режимов варки может быть оправ­дано только высоким качеством вырабатываемой целлюлозы. Например, целлюлоза для электротехнических бумаг должна иметь равномерный провар, высокие прочностные свойства, вы­сокую термостойкость и минимальное загрязнение токопроводящими включениями. Всем этим требованиям в наилучшей степени отвечает целлюлоза, полученная при осторожном, медленном режиме варки с растянутой заваркой и невысокой конечной температурой.

Отличительными чертами быстрой варки являются: непро­должительная заварка, часто с применением предварительной пропарки щепы и прямого нагрева; повышенный расход щелочи; повышенная конечная температура варки; выдувка массы с пол­ного давления.

Расходы активной щелочи колеблются примерно в следую­щих пределах: при варке жесткой целлюлозы для оберточных и мешочных бумаг 260...310 кг Na₂О на 1 т целлюлозы; при варке целлюлозы для технических бумаг и картонов от 270 до 330 кг/т; при варке белимой целлюлозы от 320 до 450 кг/т. Максимальная температура варки в большинстве случаев составляет 174...177 °С.

 

Рисунок 3.13 - Диаграмма быстрой варки: 1 - температура; 2 - давление

 

На рисунке 3.13 приведен пример графика быстрой варки жёсткой целлюлозы в котле средней вместимости при прямом обогреве и принудительной циркуляции. После пуска пара в ко­тел давление поднимают в течение 20 мин до 0,3 МПа (темпера­тура около 120 °С). При этом давлении открывают сдувочный вентиль, и дальнейший подъем осуществляется почти с той же интенсивностью при непрерывной сдувке еще в течение 1 ч. Максимальное давление составляет 0,8 МПа, температура 174 °С. В момент достижения конечной температуры подачу пара и сдувку прекращают и выдерживают котел при продолжающейся циркуляции щелока 2 ч. Затем, остановив циркуляционный насос, за 25 мин давление спускают до 0,5 МПа и в течение 15 мин производят выдувку массы.

Разумеется, между рассмотренными «крайними» графиками имеется бесчисленное количество промежуточных вариантов ве­дения варочного процесса. Практически невозможно отыскать два предприятия, использующих совершенно одинаковые режи­мы варки.

Кроме нормально проваренной целлюлозы, промышлен­ность производит целлюлозу высокого выхода (ЦВВ).

Сульфатная целлюлоза высокого выхода применяется глав­ным образом для выработки покровных слоев гофрированного картона, так называемого крафт-лайнера. Выход ее из древесины хвойных пород может колебаться в пределах от 50 до 60 %, но чаще всего составляет 53...55 %. Целлюлоза высокого выхода содержит еще значительные количества лигнина (12...18 %) и сохраняет после варки форму щепы. В связи с этим ее подверга­ют горячему размолу в цилиндрических или дисковых мельни­цах.

Для ускорения варки используют повышение расхода ще­лочи и конечной температуры, обогрев прямым паром, энергич­ную заварку. При медленной варке для получения ЦВВ с выхо­дом 55 % из сосновой древесины достаточен расход активной щелочи около 190 кг/т (единицы Na₂О), при выходе 52 % - при­мерно 230 кг/т.

При быстрой варке достигается оборот котла 2 ч 30 мин при расходах активной щелочи до 250 кг Na₂Oна 1 т целлюлозы, что примерно на 20 % превышает нормальный.

 

Опоражнивание котла

 

Обычно давление перед выдувкой снижают до 0,4...0,5 МПа. На некоторых заводах выдувку ведут с давления 0,6...0,7 МПа, а в американской практике широко применяется выдувка с полного рабочего давления (0,75...0,85 МПа), что дает возмож­ность отказаться от конечной сдувки.

Продолжительность выдувки на различных заводах колеблется от 10 до 40 мин, в зависимости от начального давления в котле, объема котла и количества массы. Если в котле после вы­дувки осталась масса, в котел дают острый пар и, подняв давление до 0,4…0,5 МПа, производят повтор­ную выдувку. При повторных вы­дувках заливают в котел неболь­шое количество черного щелока. Еловая целлюлоза выдувается не­сколько труднее, чем сосновая, вследствие меньшего количества мыла, содержащегося в щелоке.

Выдувку массы из котла про­изводят в выдувной резервуар. На группу из двух - четырех котлов устанавливают один выдувной ре­зервуар, поэтому полезный объем его должен быть достаточен, что­бы принять массу от двух - трех варок.

На предприятиях встречают­ся выдувные резервуары разнооб­разных форм, конструкций и раз­меров. Одна из распространенных в России конструкций показана на рисунке 3.14. При объеме 800 м ³этот выдувной резервуар имеет высоту корпуса 24 м, диаметр 8 м; расчетное давление 0, 3 МПа.

 

Рисунок 3.14 - Выдувной резервуар: 1 - отбойный лист; 2 - корпус;

3 -опорная колонна; 4 - коллектор с соплами; 5 - мешалка; 6 - привод ме­шалки; 7 - выдувные трубопроводы; 8 - штуцер для выхода парогазовой смеси

 

Масса, выдуваемая из котлов, по трубам 7 входит в верх­нюю горловину выдувного резервуара по касательной к ее верти­кальной стенке, защищенной отбойным щитом 1. Верхняя горло­вина имеет диаметр около 3,5 м и такую же высоту Образующие­ся при выдувке пары отводятся по вертикальному патрубку 8, опущенному внутрь горловины. Горловина служит циклоном, а на трубопроводе, ведущем к конденсатору, ставят предохрани­тельный или разгрузочный клапан-захлопку Для отключения конденсатора от выдувного резервуара по окончании выдувки, когда в резервуаре может образоваться вакуум. Выдувка в пустой резервуар не допускается, так как это приводит к поломке ме­шалки 5, установленной в нижней его части. Если резервуар вво­дится в работу после ремонта ив нем нет массы, нижний конус перед выдувкой заполняют черным щелоком. Корпус резервуара 2 покоится на опорных колоннах 3.

Нижняя часть резервуара предназначена для разбавления массы слабым черным щелоком перед откачкой на промывную установку. Концентрация массы после выдувки в выдувном ре­зервуаре составляет 11...15 %, после разбавления в нижней части 2,5...3,5 %. Щелок для разбавления массы подводится в нижний конус через четыре штуцера по кольцевой трубе 4. Разбавленная масса забирается из резервуара центробежным насосом и подает­ся на промывную установку. Для размешивания массы в нижнем конусе установлена вертикальная мешалка 5 с четырьмя взаимно перпендикулярными лопастями на коротком валу; частота вра­щения мешалки около 20 мин ^-1.