造纸厂——抄纸工艺教案.doc

干燥部
第一节 引言
纸页经过压榨后，其中残余的水分必须在干燥部蒸发脱除。蒸发过程需要大量的热能，通常以蒸汽形式供给。干燥部一般是纸机中能耗最大的。热能从蒸汽传递到纸幅，需要有相当的传热面积，所以干燥部通常是纸机最庞大的部分。
干燥部的目的：
1. 要以最少量的干燥设备有效地蒸发掉水分为目标。
2. 要在保证纸页的质量的前提下进行。
3. 干燥部及附属设备的设计，必须能尽量的降低能耗。
4. 干燥部的设计必须使纸机有较高的总效率。
第二节 传统的烘缸干燥
最常见的干燥方法是使用一系列蒸汽加热的烘缸。从压榨来的湿纸页，通过一组单层烘缸，通过导辊承托纸页，可以减少纸页的拉伸和断头，但影响生产能力。之后是双层布置的一系列烘缸。上下烘缸单独使用干毯，上下烘缸之间的纸页没有承托。存在纸页抖动问题。
第三节 干燥的基本原理
干燥过程可以分成两大部分，即：1.蒸汽传热给烘缸的同时，传热给纸页；2.在出烘缸到进入下一个烘缸之间的部位，从纸页蒸发出来的水分进入大气中。
在多烘缸纸机上湿纸幅的干燥过程是间歇的，是由一系列反复循环的周期性干燥过程组成的。每个周期内都发生短暂的升温和蒸发的过程，但时间只有十分只几秒。
干燥曲线：指烘缸表面的温度曲线，也就是将各个烘缸表面的温度值连接起来画成的曲线。一般是开始时逐渐升高，然后平直，最后稍有降低。
单个烘缸的干燥机理：
纸页在烘缸上的四个分段区：一段纸页附近空气和水汽与纸页一同进入烘缸，形成烘缸和纸页间的空气膜。二段干毯将大部分空气赶出，蒸汽的热量通过烘缸外壳传入纸张中，随着纸幅接触烘缸表面，干毯将纸页压向烘缸面，并改善接触状况。纸页在烘缸上时，干毯还阻止水分蒸发。因此当热量传给纸页时，烘缸上的纸页温度上升而很少有蒸发。纸页温度对干燥效率的影响：增加传热将增加纸张离开烘缸的温度，并增加在烘缸间纸页的蒸发作用。同样高效率的蒸发过程将使纸页温度降低，从而使纸页进入下一个烘缸时的温度较低，较低的温度有利于热量的传递，提高干燥效率。三段和四段，纸页开始大量蒸发水分。
影响干燥效率的因素：
主要有两个方面：一蒸汽压力，二是传热系数。
为了提高干燥效率可以通过提高蒸汽的压力来提高烘缸温度，但所使用的最高压力是有局限性的。大多数低定量印刷纸是不能用高压力的，特别是在干燥初期，开始压力要低些，而后逐渐提高。所以存在在干燥初期蒸汽压力低于大气压力的情况。压力太高容易使纸页表面的纤维粘在烘缸上，造成纸面粗糙，产生掉粉等纸病。并由于纸页从烘缸剥离的不一致，出现纸页不平等问题。
使用压力的大小主要依据纸页质量。一般规律是：印刷的要求越高，初期的压力越小，而且压力提高的越缓慢。
传热系数是传热阻力的大小。主要包括：
1. 凝结水层的厚度和湍动程度。（设计因素和定期排放）
2. 烘缸的厚度。（设计因素，烘缸结垢）
3. 烘缸表面的污垢或纤维。（刮刀的使用，合理的干燥曲线和进干燥水分）
4. 夹在纸页和烘缸之间的空气。（进入角度、干毯张紧程度、干毯定量和透气度）
5. 纸页的性能。（定量、水分、厚度、粗糙度、透气度等）
6. 烘缸内的不凝气体。（设计因素和定期排放）
第四节 蒸 发
纸页在烘缸上受热后，纸页中的水分由液相变成汽相。在传统的干燥条件下，这种相的改变，所需要的热量为2290KJ/Kg。大多数蒸发作用是在烘缸间的开放引纸区进行的。
纸页中的水汽压力，直接与纸页温度有关系。纸页温度是传热过程和蒸发过程的联系点，有效的传热提高了纸页温度，并提高了纸页中水分的水汽分压，在纸页中蒸发水分时纸页温度下降。纸页周围空气中的水汽分压与空气的绝对湿度有关。袋区内的高湿度提高水汽分压和降低蒸发作用。与透气度良好的干毯相关的袋通风系统，其作用就是向袋区内引入干热的空气，并冲洗袋区内的湿空气。袋区通风效率降低或干毯的透气度降低是造成袋区高湿度的主要原因。
我们需要解决好干毯的透气度和纸页稳定性之间的矛盾。高透气度的干毯可以将大量的空气吸入袋区，但会造成纸页的抖动。低透气度的干毯可阻止进入袋区的气流，但袋区湿度增加，干燥效率降低。
一、干燥变数的影响
影响干燥效率的变数很多，这些变数都是假设烘缸的几何形状固定和蒸汽温度不变。
各种干燥变数对烘缸总效率的影响的估计数字见下表：
变数 影响率
变数 影响率
1.冷凝水的排出 30
4.袋区通风 15
2.配比、品种和纸页的特性 25
5.烘缸罩和烘缸空气系统 5
3.干毯的结构、透气度和抗张力 20
6.其他 5
二、干燥区
纸页中各点的干燥速率不同，纸页开始进入干燥部时的温度低于蒸发所需要的温度。烘缸必须将纸页中的纤维和水分加热到蒸发温度。此阶段称为“加热区”。纸页的加热区视纸页的初温、烘缸的蒸汽压力、纸页水分含量和纸页的定量而定。
纸页中的水分分类：
纸页中存在结合水、吸附水和游离水三种形式
1. 结合水是以化学结合的形式存在于纸中，实质上是纸页的一部分，无法用干燥的形式除去。
2. 吸附水和纤维以及物料之间的结合形式具有物理和化学性质。它没有严格的含量，但在吸附过程中伴有热效应和物料的收缩现象。纸张的吸水过程开始是放热，之后是吸热。
3. 游离水存在于纤维的细胞腔中和毛细管中。
纸页蒸发作用一直持续到最高速率，然后进入“恒速区”。恒速区的蒸发速率很快，在该区内很容易蒸发掉游离水。
下一个干燥区是“降速干燥区”，在该区中纸页表面不再存在游离水，这部分主要是除去结合水。纸页中大量的空隙失去水分，传质的有效面积减少。蒸发速率降低，且随着出现更多的空隙，失水速率持续降低。
最后一小部分的结合水很难除去，蒸发的速率极低。许多的纸机都将纸干燥到低于规定的水分含量，如果横向水分不均，有时采用通过过度干燥来拉平横幅的水分分布。但会增加能耗。最好的办法是找出水分不均的原因。
三、干燥能耗
干燥部的蒸汽主要用于；纸页的加热、蒸发、不凝气体的排除、不凝气体的排除和排汽等方面。每部分所占的比重见下表：
项目
热量消耗（KJ/Kg）
所占比重（%）
纸页的加热
200
7
蒸发
2300
78
不凝气体的排除
420
14
不凝气体的排除
45
2
排汽
0
0
合计
2965
100

将纸页的温度提高到蒸发温度所需要的热量，视白水的温度而定。现在出现通过在进干燥前喷蒸汽的方法，来提高进干燥的纸页温度。
蒸发需要的热量基本是固定的，传统的干燥系统想要改造不是很容易。
空气加热方面往往可以节约大量的能耗。应该将加热的空气送入干燥部把蒸发的水分带走。也可以利用烘缸散失的辐射热气来加热空气。烘缸罩和空气系统的状况对空气加热的效率影响很大。运转不良时能耗可高达700 KJ/Kg，是正常的一倍左右。
不凝气体可在干燥部聚集，并使干燥效率降低。必须从系统中排除少量的蒸汽以防止不凝气体的积聚。排除不畅时能耗可高达465 KJ/Kg，是正常的十倍左右。
设计良好的干燥排水系统是不应该用排放蒸汽的办法来维持烘缸内的压差的，但很多时候操作者都习惯地将蒸汽排放到冷凝器或大气中。排放的损失能耗可高达1160 KJ/Kg，是正常时总能耗的1/3左右。
第五节 蒸汽和冷凝水系统
蒸发水分所需要的能量来自蒸汽，释放能量后蒸汽在烘缸内部产生冷凝。将蒸汽送入烘缸和排除冷凝水是干燥部作业的重要组成部分。它对干燥的效率、节能效率、纸张质量和纸机的总效率都有影响。
一、冷凝水层对干燥的影响
受车速情况影响，烘缸内冷凝水的三种存在形式：水塘型、瀑布型和甩边型。
车速极慢时（低于150米），冷凝水在烘缸底部形成一个小水塘，小水塘的传热系数远远低于没有水的区域。随着车速的提高，由于烘缸壁和冷凝水的摩擦力，水开始攀升到烘缸的侧面上。水塘的内部还会因为摩擦力而产生湍动现象，增加了传热作用。
在车速达到300米左右时，冷凝水攀升上缸壁，又跌落到烘缸的底部，这样湍动程度更高，传热更好。但高湍动状态会使烘缸的传动功率和负荷增大和不稳定。严重时引起齿轮损坏。
一旦烘缸达到一定速度，冷凝水全部附着在烘缸的内壁。发生这种甩边现象的车速大小取决于烘缸的直径、冷凝水的负荷和缸体内表面的平滑度。通常是在车速300-400米之间发生这种现象。即使冷凝水层附着在周边上，但它与烘缸表面仍有一定的相对位移。冷凝水层呈现激荡状态。激荡可以产生湍动并增进传热。
随着车速的提高，这种激荡作用逐渐趋于凝滞。形成一道传热效率很低的水膜。水膜厚度的微小变化都会引起烘缸传热系数发生很大变化，进而导致干燥质量的波动，比如影响干燥速率和导致横向水分不均（车速越高纸机越宽这种现象的影响越明显）。
二、烘缸虹吸管
作用：排除冷凝水。
形式：旋转虹吸管和固定虹吸管。
通过缸内蒸汽压力和缸外冷凝水管之间的压差，冷凝水和蒸汽的混合物被带出。
固定式和旋转式的区别：旋转式还要附加克服离心力所需要的压差。附加压差主要是克服虹吸管内凝结水和蒸汽的混合物的离心力，离心力的大小取决于混合物的密度，密度又取决于喷吹蒸汽的百分比，太低离心力大，水无法排除。由于固定虹吸管不用克服汽水混合物的离心力，所以固定式要比旋转式所需要的压差要小。固定式的缺陷为，一定要准确保持虹吸管的位置，通常距离缸底的间隙为小于0.75mm否则会造成事故。
许多宽幅新型纸机上装有两个虹吸管，即每个烘缸的一端使用一个。其原因是为了提供一个更均一的冷凝水层。重力压差是将冷凝水排入虹吸管的唯一动力。宽幅纸机的重力压头足以使整个烘缸的传热发生波动。使用两个虹吸管大大减少了此类问题。在车速超过900米时，想用单一的虹吸管获取均一的水分分布，必须安装烘缸肋条。
三、烘缸肋条
烘缸肋条是一系列沿长度方向安装在烘缸内表面的板条。
肋条的作用：通过扰动冷凝水层，改善热量的传递。在车速低于460米时，增加肋条对提高干燥效率的意义不大。除了提高干燥效率外，肋条还大大改进纸机横向的传热均一性，整个烘缸宽度上传热系数的均一，将减少冷凝水层的微小变化所带来的影响，这一点对宽幅纸机非常重要。
四、干燥供汽形式
a. 老式低速纸机通常采用一段供汽的形式。蒸汽直接由总管道通到每个烘缸，并在每个烘缸上装上疏水器（疏水器的作用是使冷凝水通过而又防止蒸汽逸出）所以全部进入烘缸的蒸汽都要在烘缸内完全冷凝。没有蒸汽通过烘缸时，空气会逐渐在烘缸内聚集，影响传热，需要定期排放。大量的疏水器需要经常看管和维护，使操作复杂。采用几个烘缸共用一个疏水器，又限制了调节单个烘缸温度的需求，并且在个别烘缸因进入的蒸汽减少而压力下降时，冷凝水会经过疏水器倒灌入烘缸内。
b.新型纸机供汽方式：分段降压的蒸汽系统
一般是向干燥部的中段和后段的烘缸和全部的干毯缸通入新蒸汽，纸机的前后的一部分则使用一段各缸的剩余蒸汽和二次蒸汽，最前面的几个缸则使用第二段的剩余蒸汽和二次蒸汽。
分段供汽时烘缸排水必须依靠压差和喷吹蒸汽。烘缸外部的蒸汽和冷凝水的处理系统对产生压差和处理喷吹蒸汽起很大的作用。
分段降压系统的干燥压力是在主控烘缸设定的，它占了全部烘缸的大部分，二次蒸汽（喷吹蒸汽）和冷凝水从烘缸排除到分离器（闪蒸罐），把二次蒸汽（喷吹蒸汽）和冷凝水分开，二次蒸汽送至下一干燥段。冷凝水被统一回收。中间的蒸汽段的压力是根据主控烘缸所需要的压差而设定。因此，中间烘缸的压力要低于主烘缸组，这样二次蒸汽才能进入中间蒸汽段。中间蒸汽段的补充蒸汽压力阀受主控烘缸组压差控制器的控制。该阀允许适当的蒸汽进入中间烘缸组，为主烘缸组提供合适的压差。如果主烘缸组的压差不够，中间蒸汽段的补充阀门就会关闭，以降低中间烘缸组的压力。
干燥前段（低温段）烘缸的布汽形式相似。它的操作压力低于中间烘缸，从低温段出来的蒸汽和冷凝水，送入真空冷凝器。用一台真空泵将系统中的不凝气抽走。
排空阀的作用：
在主控烘缸组和中间烘缸组上有排空阀，在正常情况下，这些排空阀是关闭的。但压差无法满足要求时，排空阀打开，直接排汽到冷凝器以保证烘缸冷凝水排除通畅。
分段供汽的局限：
1. 有一定的操作范围限制。主烘缸组的压力不能设定的太低，否则就会使压差不够，或需要过度排空。而主烘缸组的压力过低会造成初期干燥压力提高，对纸页产生不良影响（初期强干燥，纸页水分急剧蒸发造成空隙度增加，收缩变形大）。
2. 控制系统不容易稳定。蒸汽压力的变化将使所有的烘缸压力发生变化。
3. 系统出现故障不容易处理。因为所有的烘缸都有联系，很难找出故障的根源。
最新的干燥控汽方式：
到目前为止，大多数常用的控汽方法是压差控制。即测量并控制主汽管道与主冷凝水管之间的压差。但要建立正确的压差很不容易，而且正确的设定常常因为纸机抄造条件的改变而改变。“流量控制”是当前最常用的方法。
流量控制是监控前部来的二次蒸汽的流量，并自动调节压差，以满足稳定二次蒸汽流量的需要。因为二次蒸汽量决定烘缸的排水状况。
流量控制相对于压差控制的优点为：
1. 操作简单，一旦设定不需要调整。
2. 使用的生蒸汽量减少，系统自动的将压差设定在最低水平，并提供足够的二次蒸汽来保证烘缸排水。
3. 减少蒸汽浪费，在断头和冷凝速率降低时，控制系统自动减少压差。
4. 消除烘缸满水的问题，控制系统可以迅速调整系统的不正常状态。如果发生满水现象，系统将降低二次蒸汽流量和增加排水压差。

第六节 干燥部通风系统
一、热风的作用：
1. 从干燥部收集和除去水汽。
2. 提高干燥能力和纸机产能。
3. 提供可控的干燥环境。
4. 稳定纸幅，提高纸机效率，
5. 保护纸机设备，
6. 优化节能效率。
二、通风系统的组成
1. 汽罩：捕集水汽。
2. 汽罩排风机：排除水汽。
3. 汽罩供风装置：将热风引入干燥，平衡从汽罩排除的风量。如不引入热风将产生冷凝现象和抄造问题。
4. 袋通风装置：用袋通风喷嘴或热风辊将空气引入烘缸袋区，来吹除水汽，降低湿度。可以提高干燥效率和提高横向水分的均一。如何减少对纸页的扰动是主要问题。
5. 稳定纸幅的装置：压榨递纸等吹风箱，稳定纸幅的袋通风装置等。
6. 热回收装置：汽-气热交换器，汽-液热交换器。
三、汽罩
1. 开放式的顶盖汽罩：罩盖是用低绝热的板材制成，要用高的排汽量才能防止冷凝，同时泄漏和排汽温度低是个大问题。高的排汽量要提高通风量，所以浪费较大。
2. 中高湿度的封闭汽罩：汽罩保温并封闭，操作侧用升降屏，底部用不保温的密封底板，防止气流的外泄和防止升压作用。
四、袋通风
袋区：干毯纸页和烘缸三者形成的相对封闭区域。
在袋通风装置出现前，干毯是一种不透气的结构。空气是用从侧边引入，但对于宽幅纸机的袋区内湿度高又不均一，造成横幅水分波动。合成干毯可允许空气穿过干毯，强制进入袋区。易透气的干毯和袋通风结合，大大的提高了干燥能力，并使横幅水分分布更加均一。
袋区通风的要求：
1. 平衡和控制进出袋区的空气流量。干毯的透气度高吸入袋区的空气量超过压出量，反之则压出的空气超过吸入的空气，这样出现湿度不一致现象。通过在干毯进口处使用干燥空气的风箱，有两道风口。上面的风口可以阻止干毯带来的气流，下面的风口可以挡住毯辊带来的气流。在风嘴之间形成一个压力区。该压力区在受控情况下将准确数量的干热空气送入袋区。湿空气则通过自然抽吸作用排除。
2. 使袋区湿度低并且均一。
3. 有矫正横向水分的能力，比如两边水分低的问题，但这只是袋通风系统的辅助作用。