我国制浆造纸装备科学技术的发展

张 辉 王淑梅 程金兰 胡 楠 邝仕均

(1.南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京,210037;2.中国轻工企业投资发展协会,北京,100011;3.中国制浆造纸研究院,北京,100061)

我国制浆造纸装备科学技术的发展

张 辉1王淑梅1程金兰1胡 楠2邝仕均3

(1.南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室,江苏南京,210037;2.中国轻工企业投资发展协会,北京,100011;3.中国制浆造纸研究院,北京,100061)

简要地讨论了制浆造纸装备及其制造业和学科建设的现状和在我国造纸工业发展中的地位和作用,着重探讨了近年来我国制浆造纸装备科学技术取得的进展,同时也讨论了国际先进制浆造纸装备科学技术在我国的应用现状;从科技研发、制造业状况和学科建设等方面对国内外制浆造纸装备科学技术现状进行了比较分析;提出了今后我国制浆造纸装备科学技术发展展望与对策建议。

制浆造纸装备;科学技术;学科建设;进展;展望;对策建议

制浆造纸装备在生产过程中发挥 3方面的作用：①提供制浆造纸工艺化学反应过程所需的环境和条件;②实现制浆造纸工艺所需的物理处理和流变所需的机械机构;③发挥着联系各工艺单元所需的传输、中转、贮存等作用。因此,制浆造纸装备是实现制浆造纸工艺过程的载体。制浆造纸装备科学技术水平在很大程度上直接影响和决定着制浆造纸工业的发展水平。

近些年来,我国制浆造纸工业迅速发展并与国际水平接轨,除与原料结构调整有关外,主要得益于装备水平的提高。反过来,制浆造纸工业的发展加快了制浆造纸装备科学技术的进步,促进了制浆造纸装备制造业的发展。

1 制浆造纸装备制造业概况[1-2]

现代制浆造纸装备制造业属于技术密集的大型装备制造业。我国制浆造纸装备制造业沿着“引进技术,消化、吸收、国产化”这条主线发展,具有相当水平的大中型制浆设备及中高速宽幅纸机不断涌现。

2009年,我国纸和纸板总产量 8640万 t,2000—2009年间年平均增长 12.7%,其中 2005—2009年间年增长 11.4%。为适应我国制浆造纸产业结构转变和快速增长期的巨大市场需求,制浆造纸装备制造业快速发展并有了跨越式的技术进步。

2003年,我国制浆造纸机械制造业列入统计范围的企业有 163家;2008年,列入国家统计范围的国有和销售收入 500万元以上的企业有 273家,企业数量较 2003年增长 67.5%。2008年的 273家企业,工业总产值为 181.4124亿元,比 2007年增长24.6%,比 2003年的 47.2亿元增长 284.3%;工业销售收入为 172.1745亿元;利税总额为 22.0735亿元,比 2007年增长 35.2%。

我国制浆造纸装备已发展成为工艺适应性强,技术复杂,品种繁多,具有机、电、仪、计算机相结合的高新技术配套产品,不少产品已接近甚至达到国际先进水平。但我国制浆造纸装备的技术和产品的科技含量与世界先进水平的差距并没有缩短多少,体现在进口设备越来越占主导地位,主要的大型制浆造纸成套设备都是从国外进口并被国外企业垄断。解放前为“市场洋纸垄断”变为现在的 “造纸洋设备垄断”,国产装备仍只能销往中小型制浆造纸厂。

2 制浆造纸装备科学技术整体水平与进展[3]

现代制浆造纸装备具有大型、高速、连续、复杂、自动化程度高、成套化和控制精度要求高等特点,装备要具备高速生产过程浆料纤维悬浮液等多相流、多介质、宏观微观均衡分布和质量能量动力传递等功能,同时与机、电、仪和计算机等高新技术相结合配套,而且是当今新材料和先进制造科技水平的综合。制浆造纸装备从其科技含量角度上看当属高科技类成套装备,可以说现代制浆造纸装备是在当今工业品制造业中所用的科技含量与水平较高的装备中少有的,因而具有先进水平的大型制浆造纸成套装备价格昂贵,只能被国外少数公司垄断。

近年来,通过成套引进或引进关键部件的方法,我国制浆造纸装备的制造能力和科技水平有了一定提高。世界先进装备厂商在我国的落户和国产化设备制造水平的提高,不仅缩小了我国与国际先进水平的差距,同时也引入了先进的管理方法和技术人才,提高了产品研发能力和自主创新能力。

我国制浆造纸工业已拥有世界上领先的制浆造纸技术和装备,如连续蒸煮、氧脱木素、二氧化氯制备及漂白、各种化学机械制浆、涂布加工、废纸脱墨,带有夹网成形器、靴式压榨、单排烘缸、机内超压、软压光等高速纸机,废水处理系统,QCS、DCS、MCC、PLC等自动控制系统。

目前,我国制浆造纸装备已呈现了大型化、高速化、自动化、国产化、成套化的特征和趋势。

3 制浆造纸装备学科建设情况

制浆造纸装备科学技术具有学科交叉性强,与现代高新技术关联度大、结合紧密,应用基础性研究实验装置建设费用高、难度大,技术开发性新装备中试生产线投入多等特点。

在推进制浆造纸装备科学技术进步的过程中,高等学校和科研、设计院所发挥了十分重要的作用。但在人才培养和科技创新、科技研发人员数量方面,制浆造纸装备远不如制浆造纸工艺,跟不上制浆造纸工业发展的需求。

我国有轻化工程 (制浆造纸工程)专业的 22所本科高校中,较早设置制浆造纸机械与设备本科专业方向的高校有华南工学院 (现为华南理工大学)。可随着时间的推移和制浆造纸工业的快速发展,特别是制浆造纸装备水平的迅速提高,从事制浆造纸装备方面教学和科研的师资以及人才培养的院校数量却在不断减少,且有相当数量原从事制浆造纸装备教学科研的教师转为从事制浆造纸工艺的研究。在国内,专门从事制浆造纸装备科学技术研究与开发的科研机构和院校很少。直接开展具有自主知识产权的制浆造纸装备技术研发的企业也很少。结果势必导致我国自身的制浆造纸装备科学技术发展落后于制浆造纸工业发展的要求。

现只有南京林业大学和陕西科技大学设置制浆造纸装备与控制本科专业方向,并且有相应的教研组。开展制浆造纸装备科学技术研究和研究生培养较多的高校有华南理工大学、南京林业大学和陕西科技大学。专门从事制浆造纸装备研究的设计院所主要有轻工业杭州机电设计研究院等;部分大型制浆造纸机械制造企业设有设计研究所,如西安造纸机械研究所。

4 制浆造纸装备科学技术发展现状

4.1 制浆造纸装备科学技术进展[4-6]

4.1.1 备料设备

备料装备的科技进展主要体现在对原料除杂、分类和尺寸处理能力及机械结构的设计上。近年来,我国制浆原料结构的调整 (主要是废纸和杨木比重的增加)以及为克服草类原料利用过程中杂质干扰,相应备料设备的研发,如废纸的分选设备系统、杨木的剥皮削片和再碎设备系统、草类原料的湿法备料设备系统成套设备等的研发均有所进展。

针对废纸原料的杂质种类多,长期以人工分拣为主,一方面工人的劳动强度大、工作环境差,另一方面分拣质量不高影响下道工序生产等问题,郑州运达造纸设备有限公司开发生产的节能型废纸散包干法筛选分选设备系统已在生产系统中推广应用,实现了废纸分拣的机械化和连续化。

由于国内制浆原料的多样化,目前木材备料设备中削片机和木片筛发展不快。国外已发展了高效率切片和可按木片厚度分级的鼓式削片机和盘式木片筛,并重视备料系统的清洁生产。湖南怀化引进的Andritz公司的备木生产线中的剥皮、切片生产线设计产能达到 350 m3/h。随着林纸一体化和 APMP、CT MP高得率制浆技术的发展,国内削片机和木片筛的规格有向大型化、自动化程度高、工作环境好、操作劳动强度小的方向发展。

对于非木纤维原料的备料装备,干法、湿法、干湿结合法备料 3种技术装备生产线在国内都有一定的市场。

干法备料工艺成熟、投资少,但存在灰尘污染大、制浆用化学品消耗量高、浆料得率低、硅干扰大等缺点。国内发展了产能为 24 t/h的切料除尘机组;产能 14～25 t/h的刀盘式切苇机;产能为 7～10 t/h的刀盘式切竹机;产能为 20～24 t/h的大型棉秆备料成套设备 (包括切料、破碎除尘、分离等功能);产能为 15～25 t/h的刀轮式破碎机等。

湿法备料是目前较为先进的草类原料备料方法,是国内上规模造纸企业新上项目的首选方法。湿法备料设备已有标准配置,一般为鼓式洗涤机加水力洗涤机,鼓式洗涤机与木片和竹片湿法备料的相同,目前配置的最大水力洗涤机规格为 90 m3,能满足 300 t/d粗浆产量的湿法备料要求。湿法备料常与横管连续蒸煮配套使用,故湿法备料后还配置草片泵。目前,草片泵最大规格为 560 m3/h,扬程 25 m。脱水主要靠斜螺旋脱水机,一般 1台草片泵配置 1台斜螺旋脱水机。斜螺旋脱水机常用规格Φ900 mm×7000 mm,单轴。江苏华机集团和天津轻工业机械厂等提供的主要设备采用的仍然为水力碎草机、草片输送设备和脱水设备等,但在节水、节能、减少草片碎断以及减少流程体积等方面进行了研究改进。

干湿结合法备料是草类碱法制浆备料的发展趋势。

4.1.2 制浆和漂白设备

根据制浆方法和原料不同,其制浆和漂白设备需求和发展也不同。

4.1.2.1 化学法制浆设备的进展

从化学制浆设备科技进展角度上看,化学法制浆设备的进展主要是不断适应蒸煮化学反应条件下大型化压力容器的设计以及化学反应进程中物料的移动技术和主要技术参数的测控技术。在装备成套化技术方面,国内取得较大进展的主要为草类原料湿法备料和横管连续蒸煮器系统的成套化及封闭筛选系统的成套化。

近年来,化学法制浆设备的研发主要围绕着实现新的制浆工艺、节能降耗、与制浆废液处理的衔接、连续生产、提高产能规模和浆料质量及其均匀性等方面进行。新建制浆项目都采用了新技术,对非木纤维原料采用了成熟的横管连续蒸煮技术。

在间歇蒸煮技术与装备方面,国外有了较大的突破,先后有 RDH(快速置换加热)技术与装备,以及类似的 Super Batch、Enerbatch、DDS等。用于木片及竹片的超级间歇蒸煮主体设备已基本实现国产化,如大型的超级间歇蒸煮锅 (250 m3)、大型的压力贮罐 (包括热白液、热黑液、温黑液,可达 1000 m3以上)、大型喷放锅 (1500 m3以上)全部实现国产化,但成套装备及自控系统还有待开发。

国外卡米尔连续蒸煮也有了很多改进,先后开发了MCC(改良连续蒸煮)、E MCC(深度脱木素的改良连续蒸煮);Metso公司的 ITC(等温蒸煮),Compact-G1(一代紧凑蒸煮)和 Compact-G2(二代紧凑蒸煮);Andritz公司则推出了 LowSolid(低固形物蒸煮技术)。这些国际先进的连续蒸煮技术与装备有的已在我国得到了应用,如海南金海浆厂引进的木浆生产线产能达到 120万～130万 t/a;全球规模最大的 150万 t/a漂白木浆生产线已在我国山东日照落户;位于世界技术最前沿的 G2型紧凑连续蒸煮系统已投用于国内最大的竹浆厂——贵州赤天化纸业公司。但适应木材纤维的立式连续蒸煮装备技术目前在国内极少涉及。

根据非木纤维的特点,我国自主创新,成功开发具有自主知识产权的、以适应草类原料为主的 150～300 t/d的横管式连续蒸煮系统设备和自动控制系统,并采用最新的可编程控制器 (PLC)或集散控制器(DCS),其浆料得率和设备运行效率已达到国际先进水平。螺旋喂料器常用的是 23英寸 (1英寸 =2.54 cm),正在使用的最大规格为 25英寸;已有能力制造 30英寸以上的螺旋喂料器,产量达到 300 t/d;采用饥饿型喂料器提高草料喂入的水分;喷放阀由系统自动控制调节确保系统平衡以及采用双热喷流程、冷热双喷流程等。该蒸煮器系统技术性能提高,更适合我国国情。

近年来在洗浆和黑液提取方面,国产真空洗浆机的性能和产能都有很大改进和提高。在引进消化吸收基础上,经多次改进后采用波纹滤板、小平面阀的洗浆机现已比较适应各种非木纤维浆料的黑液提取和洗涤。最大真空洗浆机转鼓面积可达 120 m2,可配套20万 t/a的 KP木浆项目。近年来,国内开发的新型置换双辊挤浆机系列,其辊最大规格为 1500 mm×5000 mm,可配 60万 t/a系统;另外,还有低速单螺旋压榨脱水机、双压区双网挤浆机等。为了追求更高运行效率和低运行成本,国外已发展鼓式置换洗浆机(DD洗浆机)并已投入应用,可在一台洗浆机上完成 4段洗涤,国内已有引进并在开发生产。

筛选净化设备方面,国内在消化吸收国外先进技术的基础上,研究开发了具有节水节能、减少纤维流失等优点的封闭筛选系统,主要设备有除节机、压力筛、高浓除渣器、液体过滤压力筛等。其压力筛为外流式中浓压力筛、封闭型转子,液体过滤压力筛采用微孔过滤筛鼓,均具有创新性和实用性。该系统的筛多为缝筛,一段筛缝为 0.20 mm～0.25 mm,二段筛缝为 0.30 mm,目前封闭筛选系统规模为 300 t/d。国内用于封闭筛选具有波纹筛鼓的压力筛和棒式波形筛鼓的低脉冲压力筛已成系列,接近国际先进水平,但在精度和使用寿命上有一定差距。国外同类设备的使用寿命要比国内高 1倍,材质热处理好。

国产各种除渣设备,如高浓、中浓、低浓除渣器及轻、重杂质除渣器等通过不同的组合配套已可完全满足国内各种规模的生产需求。国产最大圆网浓缩机规格为 50 m2。越来越多的浆厂使用占地面积小、效率高的多圆盘浓缩机 (最大规格为Φ5500 mm,过滤面积 500 m2)。

4.1.2.2 高得率制浆设备的进展[7]

高得率制浆设备科学技术主要围绕着原料和工艺的适应性、制浆质量的提高,设备本身的高性能、高效率、低能耗的运行和材料寿命的延长等方面进行。

高得率制浆设备有磨石磨木机和盘磨机两大类。由于 T MP、CT MP、APMP、P-RC AP MP等制浆技术的发展,再加上大型化、材种适应性强和浆料质量提高等因素,盘磨机逐渐占据中心地位,但磨石磨木机制浆法具有低能耗和产品具有高散射系数的优点,仍然没有被全部取代。由于盘磨机制浆系统向大型化、节能低耗、提高磨浆质量等方向发展,因而出现了大直径的三盘磨和辅助的热回收系统,采用木片挤压螺旋与盘磨机配合的节能技术,采用偏心进料高浓盘磨机降低磨浆能耗技术等。

国外盘磨机高得率制浆设备的关键技术和设备为高压缩比喂料器和大直径常压高浓盘磨机以及全程的高浓漂白设备系统。从国外引进的化机浆生产线有 10多条,典型的有 735 t/d BCT MP和 300 t/d AP MP生产线。新型高得率、低污染的制浆设备有同向双螺旋辊式磨浆机系列,最大生产能力可达 250 t/d,其关键技术有同向双螺杆搓浆机,双螺杆搓浆转子的结构和耐热耐磨材质。

高得率化机浆 APMP及 BCT MP等在国内也有很大的发展。对各种规模的高得率化机浆,汽蒸仓、浸渍器和反应仓等设备可全部国产化,国产的螺旋撕裂机和高浓盘磨机等设备还不过关。特别是高浓盘磨机,目前国内生产的最大规格为Φ1400 mm,但性能不稳定。国内开发了可用于机械浆或化学机械浆的双螺杆磨浆机及 APMP化学机械浆设备,目前已有60～100 t/d的成套设备,且 300 t/d的成套设备正在完善中。轻工业杭州机电设计研究院与华南理工大学等共同承担的 “十一五”国家科技支撑计划项目课题“10万 t/a高得率化机浆关键设备的研制”已完成设计,正在进行样机制造,其盘磨机规格为 68英寸,完成后可实现 10万 t/a的高得率化机浆装备的全线国产化。

4.1.2.3 废纸制浆设备的进展[8]

废纸处理包括碎浆、筛选、净化、洗涤、浓缩、热分散、揉搓、浮选脱墨和漂白等工序。废纸处理装备技术的研发主要围绕以下几个方面进行：装备如何充分发挥疏解 (尽可能减少切断)废纸纤维的作用;尽量不使轻、重杂质碎解成细小颗粒;最大限度地使脱墨浆的油墨和纤维分离除去;降低水耗和电耗;单条生产线的大型化和成套化。

近几年,回收纤维制浆尤其是废纸脱墨浆的生产在我国迅速发展,主要呈现以下几个特点：废纸制浆设备能力、规模不断扩大;转鼓碎浆机在新脱墨线大量采用;由于脱墨浆在生产新闻纸中的使用比例逐步增加,碎浆所用的间歇式水力碎浆机正逐步被碎解较温和的转鼓碎浆机所取代,并且出现了双转鼓 (即碎浆区和筛选区使用不同的转鼓);从单级浮选脱墨到二级浮选脱墨;为了提高浆料白度及降低尘埃度,筛选段添加了预精筛。

近年来,废纸制浆技术设备主要进展有：①碎浆设备,如转鼓碎浆机、低能耗高浓水力碎浆机。立式水力碎浆机国内已达 50 m3的规格,与其配套的有粗渣疏解设备。为增加碎浆时浆料的循环,采用浆槽上增加导流叶片,或在槽体结构上进行改进 (如 D形连续式水力碎浆机)。由于配置有螺旋转子的高浓水力碎浆机的最佳化,能够得到比鼓式碎浆机质量更佳的浆料,但高浓水力碎浆机相对不太适合质量变化的废纸制浆。鼓式碎浆机在去除胶黏物和油墨效率方面优于高浓水力碎浆机,近年来的应用有了较大的发展。②筛分设备,如纤维分级机、复式纤维分离机等。筛选设备最大的技术进步是楔形棒筛筐的细缝筛的开发,缝筛的技术进步还包括增加筛缝开口面积,镀铬或者采用新型耐磨的碳化物涂料以延长使用寿命,以及筛筐的翻新等。即使缝宽只有 0.10～0.15 mm,缝筛也能在 3%～4%的浆浓下正常运行。在压力筛不锈钢筛板进浆面加工的波形开口,使紧靠筛缝进口处浆料流体化,从而提高了浆料通过量和进浆浓度。迄今为止,最小的筛缝已达到 0.10 mm。③除杂净化设备,如逆向除渣器,通流式除渣器,轻、重杂质除渣器以及回转式除渣器在国内生产应用发展很快。但除渣器结构本身并没有很大的变化,不少公司致力于进浆、良浆、排渣口的改进。④浮选脱墨设备,主要从槽体的大小、形状、空气注入技术、气浮物去除等进行改进和革新,如 KBC公司的MAC浮选槽、Metso公司的 Optibright浮选槽、Voith公司的Ecoell浮选槽以及 Andritz公司最新推出的 SelectaFlot浮选槽。⑤热分散机。热分散机分成盘式和辊式两种,辊式热分散机又叫搓揉机。使用搓揉机可使纤维卷曲而使成纸透气度增加。而盘式热分散机不会使纤维产生卷曲现象,而且功率传输较高。

国内引进的最先进废纸脱墨浆成套生产线产能达1200 t/d。国产办公废纸处理生产线的成套设备与进口设备仍有一定差距,其中国产高浓过氧化氢漂白设备仍是空白。在国外,废纸处理和废纸脱墨成套设备的单机生产能力大,吨浆能耗少、运行成本低,关键设备已由盘式热分散机发展为更加高效节能的锥盘式热分散机。

目前,国内可提供 600 t/d的 OCC生产线成套设备及 300 t/d的脱墨浆生产线设备,其中鼓式碎浆机、立式碎浆机、高温高浓盘式热分散机及浮选脱墨槽这些关键设备已全部国产化。大型的鼓式 (滚筒型)碎浆机最大规格为Φ4000 mm,生产能力约 500 t/d;国产纤维分离机最大规格约为Φ1500 mm,生产能力约 300 t/d;国产外流压力筛规格最大可达 5 m2,生产能力约为 400 t/d;内流压力筛、纤维分离筛最大规格约为 3 m2,生产能力约 350～400 t/d。极大部分转子和筛鼓我国都能制造,但在材料选用、精度和耐磨性上需进一步提升。

除华一轻机公司 (已被美国凯登收购)和福建轻工机械有限公司提供成套废纸处理设备外,近年来,成功研制的废纸制浆新设备有：山东晨钟机械公司的转鼓式碎浆机和 ZFM型封闭浮选脱墨槽;福建轻机的 ZNV系列螺旋挤浆机、预热进料螺旋器系列、ZGF系列叠型浮选脱墨槽以及中浓粗筛系列;山东汶瑞机械公司的 15万 t/a中浓纸浆少污染漂白设备(升降流漂白塔、过氧化氢漂白混合器等);郑州运达造纸设备公司研制开发的废纸散包干法筛选系统以及山东安联轻机公司的高浓除渣器、浮选脱墨槽、压力筛、转鼓式碎浆机、高速洗浆机等。

4.1.2.4 浆料漂白设备的进展

近年来,国产漂白系统设备主要沿着连续、大型和 ECF或 TCF方向发展。进口漂白系统多采用氧漂、二氧化氯及过氧化氢漂白组合,而漂白浓度多采用中高浓。浓缩设备、混合设备以及塔反应设备是漂白过程中必备的装备,中高浓混合设备是实现药液和浆料充分混合的关键设备。高浓混合器主要有盘式高浓混合器、转子高浓混合器等。塔反应设备主要针对不同的漂白技术,从防腐蚀角度和充分反应的角度采用不同的漂白塔。

近年来,国内新建较大漂白系统大都采用进口ECF漂白 (即中浓氧脱木素、中浓二氧化氯漂白和中高浓过氧化氢漂白组合)。国产中浓氧脱木素和中高浓过氧化氢漂白设备的生产能力在 5万 t/a以下;中浓二氧化氯漂白技术和设备 (包括二氧化氯制备)全部依赖进口;漂白各段之间洗涤设备 (鼓式真空洗浆机)大都采用国产设备。以上国产设备与进口设备相比,在使用效率、加工精度和使用寿命等方面存在差距。

具有我国自主知识产权的中浓纸浆清洁生产漂白成套设备主要包括双升流塔氧脱木素段,过氧化氢漂白段以及配套的中浓浆泵和中浓高剪切混合器,漂后废水中的可吸附有机氯化物 (AOX)可达到国家排放标准,同时与传统的 CEH三段漂白比较,节水 50%以上,能耗减少 30%以上,属于清洁漂白技术装备,所有设备均为国内制造,最高产能达 10万 t/a。目前,氧脱木素塔 (单塔或双塔)的能力可达 15万 t/a,最大规格为Φ3000 mm,高度 33.6 m。氧脱后的喷放锅最大规格Φ3200 mm,高度 15.5 m。氧脱木素塔及华南理工大学研制的中浓混合器、中浓泵等可满足 200 t/d的生产规模。但中浓泵的能力和效率等还与国外的设备有差距,大规格的设备还需依赖进口。漂白用的二氧化氯制备装置等,国内已有自己的技术装备,目前最大制备能力在 6 t/d,已投入使用。

4.1.3 打浆设备

近年来,打浆装备科学技术的进展主要是在以下几方面：①打浆设备核心构件适应性更好;②设备结构更加紧凑、产能更高、能耗更低;③主要构件(如转子、定子刀或齿盘)材料更优、寿命更长;④对打浆过程纤维在磨区微观变化机理与磨齿间关系更加了解;⑤打 (磨)浆间隙的测量及其控制更加精确;⑥单机能力的大型化;⑦打浆设备的综合动态运行参数 (流量、浓度、电流、间隙、打浆度等)协调优化控制系统自动化程度和精度更高,整体运行安全性更高;⑧发展中、高浓打浆设备,有利于节能和提高打浆质量。

4.1.3.1 打浆设备 (新结构原理)进展

近年来,国外出现了几种新的打浆设备,我国也已经从机理和设计等方面开展了相关的研发,并申请了有关专利。

(1)新一代圆柱形磨浆机

传统的圆柱形磨浆机,其浆料从一端进入磨浆区,并从另一端出浆,也称为单向流式,浆料进出磨浆机是依靠进出口的压差和飞刀辊两端的推浆叶轮,轴向受力较大,能耗相对高。新一代圆柱形磨浆机(新型双向流式),浆料从机体空心主轴轴向中心(一半为空心,另一半为实心)进入,再在中间受离心力作用向周边流向磨浆区中间,然后分别向相反方向在磨浆机体两端出浆。这种磨浆流对称式设计,不仅克服了轴单向受力,同时无需加轴向推浆叶轮而节约能耗,空载能耗可降低 45%。

(2)双磨腔锥形磨浆机

传统的锥形磨浆机为单磨腔锥形磨浆机,只有一个磨浆浆流通道。近年来,国内外已经开发并应用了双磨腔锥形磨浆机。目前,双磨腔锥形磨浆机有两种形式 (均为悬臂式)：

(a)三锥式双磨腔锥形磨浆机。主要结构由 3个互相嵌套在一起的同轴空心锥体构成,其中,中间为双面齿纹的锥形转子,外侧和内侧分别为两个锥形定子,外侧定子为内表面有磨齿的磨套,内侧定子为外表面有磨齿的锥头。该设备产能高,能耗和设备费用却小得多,占地也相应减少;完全适用于阔叶木浆、废纸浆和非木材纤维等短纤维浆种磨浆。

(b)四锥式双磨腔锥形磨浆机。为克服转子轴向受力的缺陷,提高单位体积设备内有效磨浆区面积,出现了新的结构为一台锥形磨浆机具有两对锥形定子磨套内嵌锥形转子的四锥式双磨腔锥形磨浆机。磨浆过程中,浆料通过左、右两个进浆口分别从两个圆锥形转子小端进入左、右两个锥形磨腔磨浆区,后在两个大端周边外圆环区汇合,最后通过上部 (或下部切线方向)与圆环区相连接的出浆口出浆。如果因两个磨浆区磨浆间隙不同,或者因磨浆区浆流、纤维特征等引起两个磨区间磨浆压力不同使磨浆质量均匀性不一致时,则依靠两个磨区浆水压力差自动平衡和移动转子轴滑动盘两个方面来实现调节磨浆间隙的目的。

(3)改进型盘磨机

(a)转轴动盘浮动装配式盘磨机。传统盘磨机的动盘固定在转子轴上,当动、定盘面间产生少许不平行时 (大盘径则更是如此)或盘间浆料瞬间产生不同区域分布不一致时,会造成盘面磨损不一致和对轴不平衡的弯扭曲力,从而影响到轴承不均衡扭曲受力磨损。近年来,国外发明出一种花键、轮毂与转轴配合固定,轮毂外齿与动盘中心孔内圆齿作宽松式配合的盘磨机,当定、动盘间发生各种不平行或不平衡力时,依靠轮毂外齿与动盘中心孔内圆齿之间的宽松式啮合得到微调而自动消除。

(b)螺旋进浆管口式盘磨机。通常,传统盘磨机的浆料由上侧进浆管进浆口向下流,再转水平向流进定盘中心孔,最后垂直转向盘面的周边方向,两次垂直转向流会增加动力消耗。近年来,发明出一种具有螺旋进浆管口和双切出料口的新盘磨机,浆料进入进浆管口后,通过旋涡形通道进入螺旋向通道,再沿切线方向平顺地汇流到盘中心,与盘间打浆浆流方向一致,然后在盘周边区外壳切线流方向出浆。这种结构使浆料进入流、磨浆流和出浆流始终保持平顺过渡,无垂直拐弯等造成磨擦能耗,浆料流也平稳均匀。

4.1.3.2 中高浓打浆设备的开发与应用

近年来,国内开发出了 ZDPM系列中浓液压盘磨机。该盘磨机的磨浆浓度 7%～15%,自吸进浆,无需浆泵和推进器;较传统的低浓磨浆,吨浆节电30%～40%,磨浆区节水 50%以上,成纸物理性能提高 10%～30%;纤维分丝帚化率高达 75%,细小纤维流失少,是新一代节能、减污、提高打浆质量的先进设备。目前,该技术与装备已推向市场,有 200多台 ZDPM系列的产品用于几十家企业的生产。

4.1.3.3 打浆设备控制进展[9]

目前,广泛用于打浆间隙间接测量和调节浆料打浆度的参数有：①打浆电机负荷,采用恒能耗或恒功率控制;②浆料经打浆前后的温度差 (或温升)。最近,国内发明了一种盘式磨浆机磨浆间隙在线直接精确测量装置,克服了传统上间接测量方法不能实际准确反映磨浆间隙而近似依赖于电机电流作为参考的缺陷,使打浆过程处于封闭、高温、高压条件下的微观刀间距得到精确测量与有效控制,从而直接稳定调控了浆料打浆度。

4.1.3.4 高产量、大规格打浆设备的应用

为了适应产能的扩大和打浆质量的提高、能耗的下降,发展了适应大中型浆厂需要的产能 100～250 t/d的高浓磨浆机、最大产能达 400 t/d的 Z M系列锥形磨浆机。盘磨机方面,近年来在引进芬兰 DD型720、900、1100(产能分别达到 15～250 t/d、20～750 t/d、40～800 t/d)基础上,消化吸收了DD型技术,对原 ZDP系列盘磨机结构进行了改进,使其性能提高。中浓液压盘磨机的开发与应用,显著提高了打浆质量,降低了电耗,产能在 100～160 t/d。

4.1.4 造纸机

4.1.4.1 造纸机整体进展

近年来,国内外纸机围绕高速、宽幅、节能、紧凑和自动化等方面开展研究,涉及到的主要科学技术进展有：纤维悬浮液非牛顿流体的高速流送与分散技术、快速成形脱水与压榨脱水技术、高效干燥技术、干湿纸幅高速传递技术、高速多段分部传动与协调控制技术、纸张质量与纸病快速侦测技术、纸张表面压光技术、各部 (套)动态运行机械状态监测与故障诊断技术等。具体取得技术进步的单元装备有：①高效紧凑的浆料流送系统;②带有稀释水横幅定量控制的水力式流浆箱;③带有真空成形辊和加压脱水相结合的立式夹网成形器;④由单靴压组成的三压区复合压榨,使纸机车速突破 1500 m/min,设有开式引纸,湿纸幅进烘缸时干度提高 3%以上,并改善了纸张的松厚度;⑤纸张的干燥技术从双排缸干燥技术发展到单排缸干燥技术,提高了干燥能力;⑥涂布纸的涂布和压光实现了造纸机内在线生产。应用预计量施胶压榨、薄膜涂布技术和软压光技术,实现了轻涂纸机内全过程生产。研制成功软辊超级压光机,开发了帘式涂布、喷雾式涂布技术并应用于机内涂布装置。

Voith、Metso公司几乎垄断了世界上所有大型纸机设备的订单,他们对纸机的流浆箱、靴式压榨、软压光、涂布机等有其独特的创新和技术;而 ABB公司因电气传动控制、DCS、QCS管理计算机系统等优势,为大型纸机的配套做得相当成功。由于我国造纸产能一直在快速扩张,近年来新推出的最先进纸机在我国得到应用。目前,新闻纸生产线幅宽可达 11 m,车速2000 m/min,纸机全封闭运行,自动引纸,自动卷取;书写印刷纸生产线幅宽达 9.77 m,车速 2000 m/min;涂布纸板生产线幅宽 8.1 m,车速达 900 m/min;牛皮卡纸、牛皮箱纸板、高强瓦楞原纸生产线幅宽 7 m,车速达 1300 m/min;卫生纸生产线幅宽 5.6 m,车速达 2100 m/min;先进纸机的新闻纸生产耗水量已下降至 10～20 m3/t纸,汽耗、电耗亦有较大下降;书写印刷纸类耗水量下降至 10 m3/t纸;用废纸生产纸板的耗水量为 4.7 m3/t纸板,较低的达到 2.8～3.0 m3/t纸板;卫生纸耗水量为 6.5 m3/t纸。

目前,国产纸机基本上能满足大部分国内中小型纸厂的需求,可生产 15万 t/a的箱纸板机、10万 t/a涂布白纸板机,5万 t/a的文化用纸纸机。从幅宽来看,国内已有能力生产幅宽为 5.5 m的纸机;从车速来看,最高车速可达 1000 m/min左右;从技术性能上看,国产纸机的能耗较高,所产纸张质量指标与国外水平有差距,性能不够稳定,技术成熟度不高,调试周期过长。国产纸机明显呈现出模仿国外产品、缺乏成熟的理论和实践的指导、技术性能不够优化的特点。

当前,国产文化用纸纸机以 2640纸机为主流机型,具有全部自主知识产权,配置了华南理工大学开发的上网成形器后,使整体装备水平得到了很大提升。近年来,我国造纸机械在加工能力、技术水平、安装管理水平上发展都比较快,有较高的市场占有率,新增纸张产量中的约 87%是由国产中小型造纸机贡献的,同时进口大型高速造纸机的安装和调试以及运行管理、维护保养,也都是通过国内技术力量完成的,甚至部分备品备件都由国内公司提供。

目前,已建成运行的最大国产文化用纸纸机,机宽 3.8 m、工作车速 800 m/min、产量约 250 t/d,传动控制为全矢量变频控制,DCS集散控制系统和QCS系统。机型主要是长网加顶网,气垫或水力式流浆箱,四辊三压区或五辊三压区压榨,干燥部采用部分单排缸带有纸幅稳定器,全密闭气罩和热泵蒸汽系统,独立引纸绳引纸。国家科技支撑计划,河南江河纸业与华南理工大学、辽阳造纸机械股份有限公司等联合研发高速文化用纸纸机,攻克了一些关键技术,取得了一批发明专利技术,纸机车速达 1000 m/min,为高速纸机国产化开了先河。

国产纸板机的最大幅宽已达到 5.8 m,车速 850 m/min,气垫或水力式流浆箱,四叠网或五叠网成形,全封闭式引纸,大辊径压榨,带纸幅稳定器的单排缸加双排缸的干燥形式,独立引纸绳引纸,传动和控制与文化用纸纸机相似,应用于瓦楞原纸、箱纸板、白纸板、牛卡纸或白卡纸的生产。

国内开发成功的新月形卫生纸机,纸机幅宽2830 mm、车速已达 1400 m/min,可生产 13～25 g/m2的系列生活用纸,目前已得到应用。

斜网特种纸纸机是最近几年发展较快的一种纸机,主要用于长纤维或混合纤维特种纸的生产,采用斜网,超低浓度分散成形。国产斜网纸机最大幅宽3300 mm,车速在 200 m/min之间,但绝大部分斜网纸机的车速在 60～120 m/min,幅宽在 1260～1575 mm之间。目前,单层和双层成形斜网纸机已成功运行投产,三层成形斜网纸机正在开发中。适应的产品多是过滤纸系列、表层纸系列、电池纸系列、玻纤纸系列及电容器纸系列等。

4.1.4.2 流浆箱与成形部的进展

国际先进水平的高速纸机网部的发展趋势均由水平夹网发展为立式夹网,关键的是双面快速均衡脱水技术。Metso由 Symfor mer(苏州紫兴采用)到 Speed(UPM常熟采用)再到 Optifomer(南平纸业、黑龙纸业采用)。Voith则由 Duofor mer(金城纸厂采用)到DuoCFD (APP金东纸业采用)再到 Duo TQ及Duofomer TQv(华泰纸业采用),最后都走向立式夹网,并逐渐量化脱水,使双面脱水的量及速率几乎相等,最大限度地减少了两面差。

国内流浆箱的发展趋势是开发稀释水控制高压水力式流浆箱,并配备温度、压力补偿装置,提高纸幅横向和纤维定向的均匀性。其中,关键技术是湍动发生器的基础理论研究以及设备实验及生产加工技术。

生活用纸纸机多采用新月形成形器。

高速纸板机一般均采用长网 (或叠网)成形技术,国内大多数车速较高的纸板机都是如此。随着车速的提高,多夹网组合成形技术将得到广泛的应用。上网成形器是长网机和叠网机上用于辅助脱水与成形的一种装置。近年,国内主流的上网成形器的结构主要有三/四真空室的上真空脱水箱和弹性加压下刮水板组,使水线之前的湿纸幅在真空和刮刀压力作用下脱水并产生纤维二次分布的机会,以改善成纸匀度。

4.1.4.3 压榨与干燥部的进展

靴式压榨是压榨领域的最新技术,世界上大型纸机生产商都有自己的靴式压榨技术。带可控挠度辊、蒸汽箱的复合靴式压榨是目前比较有效的压榨方式。目前,靴式压榨已扩展到了应用于所有纸产品的脱水,已经实现的车速范围同样很大,从 50 m/min(浆板机)到 2000 m/min(卫生纸纸机)。

干燥部一直是发展中高速纸机技术的瓶颈之一,其科学技术进展是在干燥部的热利用率、高速有效传热和冷凝水有效排出技术等方面。随着车速的提高,直径 1.8 m的烘缸,内设扰流棒、单排列的干燥部,无绳引纸技术的开发、各式吹风箱、稳纸器的优化、带闭式气罩和分区袋通风装置的多段通汽干燥技术等已在国内开发的造纸机上广泛采用。国内现在研究新一代VAC辊与垂直冲击式烘干技术以及新的干燥技术,如电磁干燥、红外干燥等。

4.1.5 涂布机、卷取与完成设备的进展

我国涂布设备起步也较晚,先期只能提供小幅宽、低车速的气刀涂布机。为满足中、高档涂布纸的发展需要,在先后两次引进Voith公司的涂布机的设计与制造技术、瑞士BMB公司的涂布干燥技术的基础上,消化了用于铜版纸涂布系统的气浮式干燥箱技术、气刀涂布技术、气雾分离器技术、喷泉式涂布器及张力控制等技术。现在中等幅宽和车速的涂布机基本上可以靠国内供应。近年来,又吸纳各方技术并吸收国外的设计理念,自主创新开发了高速膜转移施涂机。

目前,纸板涂布、铜版纸和特种涂布、机内膜转移施胶涂布等可由国产供应。涂布白纸板机大部分为幅宽 2760 mm(最大 3600 mm),工作车速 200～400 m/min;铜版纸纸机主要为幅宽 1760/1880 mm (最大 2640 mm),涂布方式为气刀、刮刀和计量棒形式,涂布量自动控制。2008年,我国开发了幅宽 6100 mm、车速 1200 m/min的膜转移涂布机以及幅宽 2700 mm、车速 500 m/min的机内膜转移涂布机。膜施胶涂布机主要用于中高速文化用纸机内涂布,全自动控制,幅宽 3520 mm,工作车速 700 m/min。热敏纸、无碳复写纸涂布机的幅宽分别为 2760 mm、1880 mm,车速约 250 m/min。

近年来,国产复卷机技术水平提高很快,最大幅宽达 5500 mm,工作车速 1800 m/min,张力自动反馈,压辊和底辊转矩自动调节控制,复卷质量明显提高,故障率大幅下降,基本能满足国内市场需求。

超级压光机的国内研制相当成功。目前,已有多家企业能制造优质产品,其中包括幅宽 3300 mm、车速 1000 m/min的带 2个可控中高辊的超级压光机及双面软压光机等。幅宽 3520 mm,工作车速 700 m/min的软辊压光机已投产,可控中高辊和软辊包覆材料已实现国产化。

国产自动包卷生产线能满足 30万 t/a生产线的需求,并能实现包卷、封头、贴标和输送等的自动化,大大节省了劳动力成本。

在辅机方面,技术进展较大的是高速同步切纸机、高速宽幅复卷机和软压光机以及为大型纸机配套的卷筒纸自动包装生产线。国产浆板用机内切纸机机型以幅宽 3200 mm和 3600 mm为主,工作车速在 80～150 m/min之间。国产文化用纸纸机机外切纸机以幅宽 1880 mm和 2640 mm为主,工作车速在 150～200 m/min之间,分为单刀和双刀回转型连续切纸机。

4.1.6 过程控制、机械监测与自动化

4.1.6.1 DCS、QCS、W IS的应用

近年来,国产设备的技术进展之一就是新上高速纸机在配套引进世界先进的开放式控制系统 (OCS)、质量控制系统 (QCS)、集散控制系统 (DCS)、纸病侦测系统 (W IS)等和液压、气压控制系统的同时,自主开发了国产相关系统。在现有的单机集中式纸机监测与诊断系统 (MMS)基础上,开发分布式多机状态监测与故障诊断技术装备,提高纸机运行的快速性、安全性、可靠性与稳定性。

针对高速造纸机配套的具有自主知识产权的包括上述各类的综合系统在国内还没有,但有关公司在某些系统上有研发。如国内某些公司研发的定量水分控制系统 (QCS)和纸病表面缺陷检测系统 (W IS)、全过程集散控制系统 (DCS)等在国内中、低速纸机上得到配套应用,但相关系统的稳定可靠性以及适应的纸机车速与国外先进水平有较大差距。

2010年,Metso推出一款新型在线扫描匀度传感器(Metso I Q For mation匀度测量),它利用高速图像捕捉和分析技术来定义小范围的纸张匀度。纸机操作人员可以快速、直观地优化纸张匀度,并满足匀度指标的要求。2010年,Voith专门研发了一种可连续测量成形部内纸幅水分的检测器——OnQ For mingSens。该检测器采用高频微波检测技术,拥有目前最高的测量精度。通过实时测定纸幅水分含量,可持续确定最佳纸幅水分值;全部测量均在线完成,可提高纸机的安全系数。

4.1.6.2 造纸机械状态监测与故障诊断技术[10-11]

造纸机械具有高速、连续、庞大、复杂、技术含量高、自动化程度高等特点。在国外,状态监测与故障诊断技术在现代化造纸机中的研究和应用已较为广泛,但国内这方面非常薄弱。随着国内的制浆造纸装备水平逐步与国际接轨,这种非解剖在线诊断技术将成为确保大型造纸机械安全、经济、高效、可靠运行必不可少的技术手段。自亚洲浆纸 (APP)金东纸业(江苏)有限公司于 1997年率先配套美国 ABB公司在线状态监测与故障诊断系统应用以来,特别是近几年来,国内许多新上纸机项目和部分原有项目 (如泰格林纸等企业)都先后配套和应用这类技术。这类技术的应用,主要包括动态运行特征参数的监测硬软件系统,特征数据的提取分析和与故障之间关联的判断,以及现场的综合分析确认。

近年来,国内相关企业和南京林业大学等有关高校着重在以下几个应用方面开展了研究：

(1)对造纸机械旋转件现场动平衡技术进行了系统研究,实现了快速、准确对不平衡故障的诊断,成功地完成了目标辊体的现场动平衡。

(2)对高速纸机结构动力共振现象进行研究,探讨了其研究方法、结构动力共振车速。

(3)对高速纸机干燥部烘缸轴承运行状态振动监诊技术、故障发生过程振动信号变化规律及谱图特征、故障发生的主要原因与对策进行了研究,并结合油液分析技术对纸机干燥部润滑系统关键参数的控制及其影响度进行了研究。

(4)针对造纸企业装备特点,对基于虚拟仪器的纸机轴承振动监测与诊断系统开发的原理、方法进行了研究,为制浆造纸设备的故障诊断提供了一个途径。

[1] 中国造纸学会.2008中国造纸年鉴[M].北京：中国轻工业出版社,2008.

[2] 中国造纸学会.2009中国造纸年鉴[M].北京：中国轻工业出版社,2009.

[3] 中国造纸协会,中国造纸学会,中国制浆造纸研究院,等.中国造纸工业六十年(1949—2009)[M].2009.

[4] 杨 旭.中国造纸机械制造业现状及发展趋势[J].中华纸业,2008,29(12)：6.

[5] 陈克复,张 熙.我国制浆造纸装备制造业自主创新战略研究的若干问题[J].中华纸业,2006,27(6)：6.

[6] 陈克复,胡 楠.我国制浆造纸设备制造业的进步及面临的任务[J].纸和造纸,2005(增刊)：5.

[7] 李继庚,刘焕彬,吴 波.造纸企业全厂能量系统优化信息平台的设计与开发[J].造纸科学与技术,2009,28(6)：14.

[8] 张 辉.制浆造纸装备节能节水结构原理与评析[J].中国造纸,2007,26(5)：52.

[9] 张 辉,李忠正.新的盘式磨浆机磨浆间隙在线测量技术[J].中国造纸学报,2008,23(1)：85.

[10] 姚新跃,张 辉.纸机密闭气罩内外压差的量化模型[J].南京林业大学学报,2010,34(2)：95.

[11] 邱荣华,张 辉,张笑如.油液分析技术及其在现代造纸机械故障诊断中的应用[J].中国造纸学报,2009,24(3)：121.

(未完待续,下转第 5期)

(责任编辑：陈丽卿)

Advances i n Pulpi ng and Papermaking Equipment Science and Technology

ZHANG Hui1,＊WANG Shu-mei1CHENG Jin-lan1HU Nan2KUANG Shi-jun3
(1.Jiangsu Provincial Key Lab of Pulp and Paper Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing,Jiangsu Province,210037;2.China Light Industry Investment and Development Association,Beijing,100011;3.China National Pulp and Paper Research Institute,Beijing,100061)
( ＊ E-mail：hgzh@njfu.edu.cn)

Firstly,the paper briefly introduced the current situation of the industry and the discipline construction of pulping and papermaking equipment in China,as well as their roles in the rapid development of China's paper industry in recent years.Then,focused on the discussion of the recent years advances in pulping and papermaking equipment science and technology in China,the application of worldwide advanced science and technology of pulping and papermaking equipment in China was included.Further more,the advances of science and technology of pulping and papermaking equipment in China and in the other developed countries were compared.Finally,the prospect and suggestion of future developing goals and measures of pulping and paper making equipment science and technology in China were put for ward.

pulp and papermaking equipment;science and technology;discipline construction;advance;prospect;measures propose

TS73;G30

A

0254-508X(2011)04-0055-09

张 辉先生,博士,教授;现任南京林业大学轻工科学与工程学院院长。

2010-12-13