横管式连续蒸煮装置的蒸煮管结构与设计教材

横管式连续蒸煮装置的蒸煮管结构与设计
李良伟
轻工业杭州机电设计研究院
摘要：在横管式连续蒸煮装置中，蒸煮管关系到系统的可靠性、产能和成浆质量，是十分重要的组成部份。

本文介绍蒸煮管的结构和规格参数计算，并对螺旋轴等主要部件的设计问题进行讨论，希望有助于蒸煮管的设计和技术改造工作。

关键词：横管连蒸；蒸煮管；螺旋轴；结构与设计；
横管式连续蒸煮装置是非木材纤维原料制浆的主要设备，既可用于化学、半化学及生物制浆，又能用于化机浆和生物机械浆的预处理。

按制浆系统产能不同，在一套横管式连续蒸煮装置中，通常需要配置一至四根相同规格的蒸煮管，这些蒸煮管之间大多采用上下串联叠置的组成方法。

纤维原料先由螺旋喂料器送入第一根蒸煮管，随后受到螺旋叶片的推动与搅拌，在缓慢的行进中与药液充分混合，同时被通入蒸煮管内的压力蒸汽加温或者保温。

在一定温度下，物料按照工艺预定的制浆反应时间，依次通过各根蒸煮管，直至最后一根管的出料口排出，完成浸渍和蒸煮过程。

蒸煮管通常为一类压力容器，其结构示意图如图1所示，主要由筒体、端盖、螺旋轴、轴承座、鞍座、进料管、出料管、进汽管、备用排汽管、仪表接口、维护(观察)孔、传动装置等部份组成。

蒸煮管的规格参数一般以公称直径和有效长度（进、出料管中心之间的距离）表示，常用直径有DN1200mm 、DN1350mm 、DN1500mm 、DN1800mm 、DN2000mm 和DN2200mm ，有效长度为8-12m 。

1．端盖 2．备用排汽管 3．仪表接口 4．维护(观察)孔
5．进料口 6．传动链轮 7．轴承座 8．出料口 9．筒体
10．进汽管 11．鞍座 12．螺旋轴
图1 蒸煮管结构示意图
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横管式连续蒸煮装置的产能与蒸煮管的容积成比例，浸渍和蒸煮必需的有效总容积按下式计算：ΣV=QT/1.44ρa Yψ，式中：ΣV－有效总容积（m3）；Q－绝干粗浆量（t/d）；T－工艺要求的蒸煮时间（min）；ρa－物料在蒸煮过程中的平均密度（Kg/m3）；Y－粗浆得率；ψ－物料在蒸煮管内的填充系数。

单根蒸煮管的有效容积（蒸煮管内径与有效长度所构成的空间）可按式V e≥ΣV/Z计算，式中：V e－单根蒸煮管的有效容积（m3）；Z－蒸煮管根数，确定V e值后就可选定蒸煮管规格，并确定蒸煮管内径D和有效长度L值。

随着蒸煮的深入，物料在各蒸煮管内的密度会不断加大，最后一根蒸煮管里的密度约比第一根蒸煮管内增大20-50%。

物料在螺旋喂料器料塞管里的密度约为500-600kg/cm3，离开料塞管经过扩散管时的密度约为240kg/cm3左右，各种物料在进入第一根蒸煮管时的密度各不相同，一般木材、竹子：185-215kg/m3；芦苇、麦草：160-195kg/m3，同一种不同产地物料的密度也有所差别。

物料在某一根蒸煮管内的蒸煮时间可按下式计算：T n=1.44V eρn Yψ/Q，式中：T n－某一根蒸煮管的蒸煮时间（min）；ρn－某一根蒸煮管内的物料密度（Kg/m3），各根蒸煮管的蒸煮时间总和应大于工艺要求的蒸煮时间，即ΣT n≈(1-1.2)T。

蒸煮管的筒体由钢板卷焊而成，筒体的结构与厚度须按照压力容器的相关技术规范进行设计，筒体上焊接的进、出料管属于大开孔结构，应按压力容器大接管开孔补强设计规定对筒体两端进行整体补强处理，并且进、出料管的直径不得大于筒体直径的0.8倍。

为阻碍物料在蒸煮管内随螺旋轴转动，防止打滑现象，通常在蒸煮管筒体下部约160°范围内沿轴向焊接4条高度为10-15mm的防滑条。

为了向蒸煮管内通入蒸汽加热物料，还须在筒体上焊接一组进汽管，进汽管通常焊接在筒体下侧，进汽方向顺着螺旋轴的回转方向，并朝向筒体底部。

蒸煮管的端盖一般采用平盖板结构，随着产能的扩大，蒸煮管的规格也不断扩大，对于DN1500mm规格的蒸煮管来说，当蒸煮压力为0.7MPa时，端盖的厚度达90mm左右，为了节省材料和便于加工，
端盖也可采用在平盖板上焊加强筋的结
构形式，如图2所示，但这类结构的强
度计算较为麻烦。

螺旋轴是蒸煮管的主要部件，其结
构和尺寸是否合理与蒸煮管的使用性能
密切相关。

螺旋轴上螺旋叶片的外径应
比筒体内径小40-60mm（间隙20-30mm），
螺旋叶片螺距与螺旋轴转速可按照下式图2 蒸煮管端盖
计算：S·n=L/T n，式中：S－螺旋叶片
螺距（m）；n－螺旋轴转速（r/min）。

由于物料在各根蒸煮管中的密度不断增加，使得蒸煮时间也不断延长，所以在螺距相同的情况下，应将各根蒸煮管的螺旋轴设置成不同的转速，一般呈先快后慢的状态。

在实际生产中，蒸煮管螺旋轴的转速大多在2r/min左右。

螺旋叶片螺距与螺旋轴转速、扭矩和物料受力相关，应大小适宜，原Sunds公司DN1200mm规格的螺距为406mm；DN1350mm和DN1500mm 规格的螺距为410mm，原Pandia公司DN1200mm规格的螺距为406mm；DN1350mm 规格的螺距为457mm；DN1500mm规格的螺距为508mm。

蒸煮管的螺旋轴属于大跨距结构，其设计具有一定特特殊性，通常螺旋叶片的芯轴采用整根无缝钢管制作，芯轴直径大小除满足常规机械强度条件外，还必须同时满足以下三个约束条件：1．在芯轴处物料受到推进方向的轴向力，据此可推导出下式：d＞0.32fS，式中：d－螺旋叶片的芯轴外径（m）；f－物料与螺旋叶片之间的动摩擦系统。

2．综合挠度和机加工误差，螺旋轴安装后，螺旋叶片与筒体防滑条之间的最小间隙保持在3-8mm。

3．螺旋轴自然挠曲后，螺旋轴的最大挠度值应小于蒸煮管轴承跨距的0.0005倍。

根据经验，按上述条件计算确定的芯轴直径约为螺旋叶片外径的0.28-0.38倍。

螺旋轴上的螺旋叶片有多种布置形式，最常用的是等直径等螺距形式，采用这种形式，物料在蒸煮管内的填充系数可达60-65%左右，原Sunds公司最先采用变直径变螺距的螺旋叶片布置形式，这样，物料在蒸煮管内的填充系数可达75%左右。

但蒸煮管内的填充系数也不能太高，最高不得超过80%,填充系数过高会造成蒸汽流动不畅，纸浆夹生，成浆不均等现象，甚至引起螺旋轴轴向串动。

变径变距螺旋叶片的典型形式如图3所示。

图3 变径变距螺旋叶片
螺旋轴的支承轴承大多采用双列调心滚子轴承，螺旋轴推进物料的原理与螺旋输送机一致，因此从理论上说，螺旋轴并不需要配置推力轴承，但当填充系数过高，或蒸煮管使用多年，严重结垢后，有时会产生螺旋轴轴向串动现象，为防止这一现象发生，需在螺旋轴的一端配置组合轴承，组合轴承可由双列调心滚子轴承加推力球轴承或一对推力调心滚子轴承组成，此外，为使螺旋轴在正常工作
中受到的轴向力为拉应力，而不是压应力，改善受力情况，推力轴承应安装在蒸煮管出料端的轴承座处。

蒸煮管的传动装置一般采用链传动结构，由减速电机通过链轮和链条带动螺旋轴回转，这使螺旋轴的装拆、维护都比较方便，并可节省蒸煮管长度方向的安装空间，使蒸煮管的布置更紧凑，而且螺旋轴大多以2r/min左右的低速度旋转，采用链传动形式可简化结构，降低造价。

参考文献
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杭州轻工业装备设计－制浆造纸设备新技术
李良伟
造纸工业已进入薄利竞争时代，采用经济实用的先进设备，在提高产品质量时努力实现节能降耗，提高综合效益，是造纸厂设备管理的新课题，也将成为造纸机械厂的新机遇。

一．制浆备料设备
1．大规格（200-1000m3）草片、苇片、木片等原料的贮料仓。

2．与100-800吨/天制浆产能相配套的草片、苇片、木片等原料的水洗设备和螺旋脱水设备。

3．木片盘筛、木片摇摆筛。

4．水力碎草机。

5．立式或卧式甘蔗渣除髓机。

二．连续制浆成套装备
1．100-300吨/天制浆产能，以草片、苇片、棉杆、甘蔗渣等非木材纤维为原料的横管连续蒸煮成套设备。

该成套装备主要由销鼓计量器、预热汽蒸器、螺旋喂料器、T形管、蒸煮管、带喷放阀的卸料器等单体设备组成。

2．100-800吨/天制浆产能，以竹片、木片等为原料，采用管式压力浸渍和带压磨浆的CTMP制浆成套装备。

3．APMP制浆成套装备。

4．生物制浆、生物质精炼管式预处理装置。

三．纸浆封闭式热筛选系统
1．压力除节机。

2．节能型中浓压力筛。

3．洗节机和洗渣机。

4．联合除节筛
联合除节筛将压力除节机与中浓压力筛组合成一体，具有压力除节机和中浓压力筛双重功能。

5．压力式黑液过滤机。

四．纸浆漂白设备
1．脱气、泵送一体化，自带脱气装置的高扬程中浓浆泵。

2．中浓混合器、高浓混合器。

3．中浓氧气漂白塔。

4．中浓二氧化氯漂白塔。

5．高浓过氧化氢漂白塔。

6．中浓贮浆塔。

五．纸浆洗涤、浓缩设备
1．重力盘式浓缩机。

2．多盘真空过滤机。

3．高速洗浆机。

4．斜螺旋浓缩机。

5．双辊挤浆机。

6．高效螺旋挤浆机
参考国外公司的最新结构形式，采用均匀缓压、双向强化脱水及气控加载技术，脱水效果好，出浆浓度高，可满足新闻纸浆等各类纸浆的浓缩要求，另外，还对螺旋轴采取可靠的耐磨保护，有效提高设备的使用寿命。

7．双网挤浆机
双网挤浆机分为双压区挤浆机、五压区挤浆机和六压区挤浆机三种结构形式。

双压区挤浆机的出浆浓度可达35%左右，主要用于纸浆浓缩。

五压区挤浆机和六压区挤浆机属于强力型脱水设备，出浆浓度高达50%左右，通常作为湿浆板机使用，这种新型湿浆板机结构简单，能耗省，仅一台设备就可代替老式湿浆板机的多台设备。

六．废纸碎解系统
1．高效节能低浓水力碎浆机（偏心转子碎浆机）
高效节能碎浆机与国外公司的最新结构一致，转子位于圆筒形浆槽的偏心位置，并配套最先进的节能型叶轮，碎浆浓度可达8%，动力消耗比普通叶轮降低15-30%，另外，该叶轮采用分体式结构，便于维护及装拆，并在迎浆面上装设耐磨合金条，有效提高使用寿命。

2．高浓水力碎浆机。

3．转鼓碎浆机。

4．湿损纸碎浆机、干损纸碎浆机。

5．湿强纸专用碎浆机。

6．废纸碎解辅助设备
(a)．废纸包散包机。

(b)．杂质分离机、纸浆粗选机。

(c)．圆筒筛浆机。

(d)．绞绳机和切绳机。

(e)．纤维分离机。

(f)．纸浆疏解泵。

七．废纸浆筛选设备
1．节能型粗筛（中浓压力筛）
节能型粗筛分为升流式和降流式二种结构形式，配用最先进的节能型转子，可显著降低粗筛的动力消耗。

以2 m2规格为例，配用电机功率仅75-90KW。

2．节能型精筛
节能型精筛分为内流式和外流式二种结构形式，采用不同型式的高效能转子，既可改善筛浆效果，又能节省动力消耗。

3．节能型纤维分级筛。

4．双鼓网前筛、内流网前筛。

5．轻渣分离机（苹果筛）。

6．排渣分离机（尾渣分选机）。

7．复式尾渣筛
复式尾渣筛参考国外公司的最新形式，采用升流式结构，浆渣先在筛子底部经过疏解处理，然后沿着筛鼓上升，进行筛选和淘洗，最后再将剩余的塑料片等轻杂质从筛子顶部排出机外，排渣浓度可达15-30%，且排渣时不会带出纸浆纤维。

8．双效纤维分级筛
双效纤维分级筛是一种新型复合型压力筛，兼有纤维分级和长纤维或中长纤维精筛选双重功能。

用一台双效分级筛代替常规的普通分级筛和长纤维或中长纤维精筛二台设备，既可简化流程，节省设备占地面积，又能减少中间浆池、浆泵配置，降低动力消耗。

9．双段中浓压力筛
双段中浓压力筛是一种新型复合型压力筛，集成了一段筛选和尾浆二段筛选双重功能。

用一台复合型双段中浓筛代替常规的独立型一段筛和二段筛二台设备，既可简化流程，节省设备占地面积，又能减少中间浆池、浆泵配置，降低动力消耗。

八．废纸浆浮选脱墨设备
1．立式（封闭式）浮选脱墨槽。

2．卧式（油罐式）浮选脱墨槽。

卧式浮选脱墨槽分为ECC和SFL二种结构型式，分别参考国外二家著名公司的结构形式进行设计，均采用高效的阶梯扩散式气泡发生器及先进的多级多段组合形式，具有进浆压头低，动力消耗省，脱墨效果好，纤维流失少的显著优点。

九．废纸浆盘式热分散系统
1．螺旋挤浆机或双网挤浆机。

2．疏松螺旋。

3．料塞螺旋。

4．螺旋预热器。

5．盘式热分散机
盘式热分散机参考国外公司的先进形式，优化主轴、轴承及其密封结构，提高设备精度，并配置位移精度达0.01mm的先进电—液伺服控制系统，有效保证热分散机的机械性能。

此外，根据处理浆料的特性及用途，配套合适齿纹的优质齿盘，充分提高热分散效果，使盘式热分散机的综合性能达到国外产品的先进水平。

十．造纸厂废水、污泥处理设备
1．净水筛
净水筛采用立式结构，利用筛鼓旋转所产生的离心力，结合微孔筛鼓的机械微滤作用，以过滤和筛选的方式将废水里的细小纤维等杂物分离出来，达到净化废水，并循环使用的目的，而且这一过程无需使用化学药品或添加长纤维浆。

净水筛主要用于卫生纸机和特种纸机的白水回收，也可用于纸厂的综合废水处理。

当白水经过净水筛处理后，细小纤维加入到抄前浆
池，净化后的白水则直接用于纸机及洗涤、浓缩等设备的洗网和喷淋，不会产生喷嘴堵塞现象，从而大幅降低纸机水耗。

净水筛结构简单，造价低廉，占地面积小，能耗省，通常配用电机功率仅2.2-5.5KW。

2．微浮选净水机。

微浮选净水机采用部分回流的方式和加压溶气的原理产生微浮选效果，广泛用于纸机白水回收和纸厂的综合废水处理。

微浮选净水机的主机呈圆柱状，并结合了气浮和斜板澄清二种净水模式，具有净水效果好，药品消耗省，占地面积小的优点，是一种高效低耗的净水设备。

3．浅层气浮净水机。

4．回转细格栅。

5．污泥深度脱水带式压滤机。

污泥深度脱水带式压滤机采取分部逐级加压的方法和高强强化脱水的措施，有效提高脱水效能和脱水强度，使脱水后造纸污泥的干度达到50%左右，可直接定量搀入锅炉燃煤中，作为燃料使用，达到造纸污泥减量化综合利用的目的。

十一．其它制浆造纸设备
1．浆池搅拌器、浆塔搅拌器。

2．新型（CC型）节能圆柱磨浆机。

3．废纸浆除砂、除渣设备。

4．生物制浆（生物质精炼）设备。

5．涂料压力筛。

6．真空网笼高速卫生纸机。

7．用于生产各种工业用纸的斜网特种纸机。

8．用于各种薄页纸的新型涂布机。