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節能高速衛生紙機的國產(chǎn)化探討

2021/7/28 9:41:20 次瀏覽

　　摘要:目前高速衛生紙機多采用靴式壓榨、燃氣氣罩的高耗能設計。本文提出采用大直徑單壓榨輥提高壓榨能力，改進(jìn)烘缸傳熱設計，利用普通過(guò)熱蒸汽，改進(jìn)射流設計方案，從而節約蒸汽用量，以使高速衛生紙機實(shí)現節能的目標。關(guān)鍵詞:節能衛生紙機；壓榨；烘缸；氣罩

　　在“一帶一路”戰略實(shí)施的關(guān)鍵時(shí)期，如何進(jìn)行創(chuàng )新、如何升級換代、如何替代進(jìn)口、如何“走出去”，創(chuàng )造自有知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，成為我國造紙裝備制造業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。筆者以節能高速衛生紙機的國產(chǎn)化探討為題與同行交流。

　　節能高速衛生紙機泛指車(chē)速達1800m/min以上，并且噸紙耗能低的衛生紙機。高速衛生紙機已有20余年歷史，過(guò)去均采用大型鑄鐵揚克烘缸、燃氣氣罩與靴式壓榨，以達到高車(chē)速、高產(chǎn)量。隨著(zhù)能源價(jià)格上升，人們開(kāi)始考慮設計節能的高速衛生紙機。設計的中心思想是：提高壓榨能力，使用高熱效烘缸和高熱效蒸汽氣罩，以此達到節能目的。

　　當前國際上大型造紙機械制造企業(yè)，均相繼推出使用蒸汽氣罩為主流的高速衛生紙機。如TOSCOTEC公司有車(chē)速2000m/min的衛生紙機，幅寬5600mm，使用6.71m（22英尺）鋼制揚克缸、五輥懸臂新月型成形器、直徑1540mm的成形輥，以及全蒸汽氣罩。安德里茨有車(chē)速2000m/min的衛生紙機，使用6.10m（20英尺）鋼制揚克缸、全蒸汽氣罩，是節能的高速衛生紙機。最近Voith有一臺為中國臺灣某紙業(yè)公司制造的衛生紙機,車(chē)速達2001m/min，采用直徑5.5m鋼制烘缸、全蒸汽氣罩，通過(guò)壓榨后干度達到46.5%，創(chuàng )蒸汽氣罩車(chē)速最高記錄。

　　從國外節能高速衛生紙機的生產(chǎn)經(jīng)驗來(lái)看，車(chē)速能達到1800m/min以上，用蒸汽氣罩代替燃氣氣罩，可節約能源。當然也不必照抄國外的方法，獨立自主開(kāi)發(fā)節能的高速衛生紙機也具備可行性。本文就壓榨、烘缸及氣罩等部分的設計分別進(jìn)行分析。

　　1壓榨

　　提高濕紙幅壓榨后的干度非常重要，意大利CRISTINI公司曾提出：“提高1%的壓榨能力，將節約烘缸4%的能源[1]”。因此如何提高壓榨部脫水能力是高速衛生紙機節能的首要目標。

　　1.1包膠輥壓榨

　　筆者開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的包含熱影響的壓榨分析軟件NipComp[2]。常規包膠壓榨輥一般選用聚氨酯包膠，包膠厚度25mm，輥徑1500mm，包膠硬度25PJ；烘缸直徑6.10m（20英尺），壓榨輥線(xiàn)壓力140kN/m。經(jīng)過(guò)NipComp計算得出：壓區寬度達66.07mm，峰值壓力2.84MPa，保壓時(shí)間1.98ms，壓榨沖量值4.2kPa?s，NipComp軟件界面如圖1所示。從計算結果看出，本項設計壓區寬，壓力峰值大，壓區沖擊值高，因此壓榨效果很好。該項基本參數很適合生產(chǎn)薄頁(yè)紙設備用的托輥。

　　需要說(shuō)明的是，使用包膠輥壓榨會(huì )產(chǎn)生一個(gè)不利因素，即回濕現象[3]（如圖2所示）。產(chǎn)生回濕的因素很多，為降低回濕現象，正確選擇毛布非常重要，如CRISTINI生產(chǎn)的壓榨專(zhuān)用毛布SEAM[1]就很大程度降低了回濕現象。目前國內尚無(wú)法生產(chǎn)壓榨專(zhuān)用毛布，另外也尚不能生產(chǎn)高速紙機用毛布。

　　1.2靴壓

　　靴壓是一個(gè)較新的技術(shù)，Voith的NipcoFlex靴式壓榨技術(shù)用于高速衛生紙機，提高了出壓榨部紙幅干度，減少了蒸汽消耗[1]。目前國內廠(chǎng)商已經(jīng)可以制造靴壓設備，但造價(jià)極高，其中所用靴套尚需進(jìn)口，價(jià)格也較高。靴壓脫水效果非常明顯，首先是壓區更寬，有更高的峰值壓力；

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　　二是沒(méi)有回濕現象發(fā)生。由于經(jīng)過(guò)靴壓壓榨后出壓榨干度提高，紙機則可以選用小一些的烘缸，例如5.49m（18英尺）的烘缸即可。圖3為壓區寬度與線(xiàn)壓力關(guān)系圖。

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　　由圖3可知，與壓榨輥壓榨相比，靴式壓榨壓區寬，壓力峰值高，且沒(méi)有回濕現象。應該注意的是，生產(chǎn)衛生紙的峰值壓力不能過(guò)高，否則會(huì )將濕紙幅壓潰。做好壓榨設計至關(guān)重要，當加大托輥直徑，加大線(xiàn)壓力，其效果可比擬雙托輥結構，但略低于靴壓結構效果，上列設計計算能保證壓榨要求的干度，經(jīng)計算分析，其干度>40%。因此采用單壓榨輥壓榨，加大壓榨輥直徑、增加線(xiàn)壓力的設計方案可以達到與靴壓近似的效果，同時(shí)可以節約投資。在壓榨設計中不能刻意追求壓區寬度，壓區中壓應力計算如式（1）所示。N為線(xiàn)荷載；b為壓區寬度。由式（1）可以看出，壓應力與壓區寬度成反比，當壓區寬度上升時(shí)，壓應力下降，對于薄頁(yè)紙的壓榨，壓應力應保證一定數值。應該說(shuō)明的是，托輥對于烘缸的線(xiàn)壓力并非真正的線(xiàn)壓力，而是一個(gè)面荷載，這個(gè)荷載應該在壓區分析的基礎上以面荷載作用于烘缸，需通過(guò)面荷載非線(xiàn)性有限元分析。

　　2烘缸

　　節能高速衛生紙機的烘缸均采用鋼制烘缸。鋼制烘缸的設計涉及到傳熱設計、強度設計、疲勞設計及穩定性設計。

　　2.1傳熱設計

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　　上述4項設計中首要的是傳熱設計。其優(yōu)化目標是：首先在同樣的溫度條件下，使得烘缸表面有最大的熱流密度。其次給定溫度場(chǎng)分析，為溫度應力分析提供依據（如圖4所示）。

　　通過(guò)烘缸加肋肋型的優(yōu)化設計，計算可得到不同肋型的烘缸表面的熱流密度，理論分析表明，肋高度為25~30mm最經(jīng)濟。肋型設計的另一個(gè)重要指標是烘缸表面溫度均勻分布，即任意兩點(diǎn)的溫度差不超過(guò)1℃，否則生產(chǎn)的紙張質(zhì)量不佳。

　　2.2強度分析

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　　烘缸作為壓力容器應按照GB150—2001《壓力容器》規范進(jìn)行強度計算與優(yōu)化設計。烘缸的有限元分析應使用全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會(huì )認定的程序進(jìn)行計算分析，如ANSYS、ABAQUS等軟件。烘缸缸體采用“等面積法”做強度驗算（見(jiàn)圖5）。

　　等面積法就是將加肋烘缸當量化為一個(gè)特定厚度的光缸的近似計算方法。其當量厚度計算如式（2）所示。需要說(shuō)明的是，當量厚度只是烘缸強度設計的必要條件，并非充分條件。

　　2.3剛度計算鋼制烘缸有別于鑄鐵烘缸，鋼制烘缸缸體在線(xiàn)荷載作用下會(huì )發(fā)生變形，加肋缸體變形最大處——缸體中心的最大變形量應予以限制，見(jiàn)式（3）。

　　關(guān)于最大變形量的計算可根據文獻[4]進(jìn)行近似計算。應該指出的是，當增大線(xiàn)荷載時(shí)，需增加溝槽底至烘缸表面厚度，以增加肋的長(cháng)度方法來(lái)增加剛度的效果較差[4]。

　　2.4穩定性分析

　　鋼制烘缸在線(xiàn)荷載的作用下，有失穩的可能性，為此要進(jìn)行穩定性分析。由于揚克烘缸為加肋的圓柱殼，解析解無(wú)法進(jìn)行，可借助于有限元分析。ANSYS有專(zhuān)用程序進(jìn)行穩定性分析，大量的實(shí)例分析計算表明，烘缸在線(xiàn)荷載作用下，穩定性較高。

　　2.5疲勞分析

　　烘缸在線(xiàn)荷載作用下，缸體承受交變應力，因此應進(jìn)行疲勞強度分析，其計算方法可參閱文獻[5]的詳細論述。

　　2.6中高線(xiàn)

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　　揚克烘缸的中高線(xiàn)應該由烘缸設計師給出，以便在烘缸加工過(guò)程中完成加工出中高線(xiàn)。關(guān)于烘缸中高與托輥中高互相作用問(wèn)題，見(jiàn)圖6所示的3種相互作用情況[6]。烘缸中高由烘缸結構設計與運行工況所確定，即為固有的，而托輥的中高要根據烘缸的中高、輥芯及包膠設計通過(guò)有限元分析，來(lái)確定包膠輥中高,以達到圖6（b）所示的兩個(gè)中高相互補償作用的情況。常規用公式計算包膠輥中高的方法難以取得正確的中高線(xiàn)。

　　2.7烘缸冷凝水排除設計

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　　烘缸冷凝水的熱阻是鋼鐵材料的40余倍，它很大程度上降低了烘缸的傳熱效率，因此做好烘缸的排水設計至關(guān)重要。加肋烘缸已將冷凝水集中到溝槽內，如何高效地將冷凝水排出，設備制造企業(yè)也想了多種設計方案?？傮w來(lái)看，烘缸快速排出冷凝水的重要方法為冷凝水的霧化傳輸，即采用虹吸管排出冷凝水的設計方案。虹吸管示意圖見(jiàn)圖7。虹吸管霧化段變徑長(cháng)度應該不低于60mm，該設計方案可提高40%的冷凝水流量。

　　3蒸汽氣罩

　　近年來(lái)開(kāi)發(fā)的節能衛生紙機均采用蒸汽氣罩。為彌補蒸汽氣罩氣流溫度低的問(wèn)題，在整體設計時(shí)一方面需提高壓榨能力、加大烘缸尺寸以提高烘缸熱效率；另一方面則要提高蒸汽氣罩的干燥性能。蒸汽氣罩研究包括兩方面的內容：一是氣罩本身的節能設計，如何設計節能氣罩；二是蒸汽氣罩的傳熱設計，因為國內只能使用溫度為160℃的蒸汽，關(guān)鍵是如何將這160℃蒸汽發(fā)揮到極致。氣罩設計要素包括以下幾方面。

噴嘴的幾何要素
氣罩與烘缸的間隙
風(fēng)速、溫度與干度
能源選擇
送風(fēng)系統與熱回收設計

　　3.1系統設計

　　圖8所示是某揚克烘缸蒸汽氣罩的雙平行系統圖，分濕部與干部。

　　圖8揚克烘缸蒸汽氣罩的干濕部平行系統干燥的空氣系統配置可參閱PaoloDiMarco的論文[7]有詳細介紹，該論文詳盡論述了設備及操作的問(wèn)題，單系統揚克烘缸蒸汽氣罩能耗要比雙系統高1.0%。

　　3.2傳熱設計

　　最根本的問(wèn)題是對于揚克烘缸蒸汽氣罩內傳熱性質(zhì)的認識。高壓熱空氣通過(guò)孔板噴射到包覆潮濕紙幅的烘缸上，因此它是一個(gè)射流傳熱。射流傳熱是對流傳熱的一種工況。當前使用蒸汽的氣罩，蒸汽溫度約為160℃。目前節能揚克烘缸蒸汽氣罩設計的目標是達到最大的傳熱效能。因此，關(guān)鍵問(wèn)題是射流傳熱的優(yōu)化設計。

　　3.2.1射流傳熱的優(yōu)化設計

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　　射流傳熱模型[8]如圖9所示，其主要參數有：噴嘴直徑D、噴嘴到?jīng)_擊面（烘缸）的距離H。從揚克紙機生產(chǎn)實(shí)踐情況看，射流傳熱的設計研究工作大約分為兩個(gè)階段，應該以1980年為界。第一階段：1980年以前，揚克紙機速度不高，大都在1200m/min以?xún)?，氣罩送風(fēng)溫度大約在100℃，采用蒸汽氣罩。第二階段：隨著(zhù)生產(chǎn)的發(fā)展要提高車(chē)速，單靠烘缸干燥已無(wú)能為力，此時(shí)出現了燃氣氣罩，其送風(fēng)溫度最高可達600~700℃，這樣氣罩干燥能力大大提高。近年來(lái)由于能源價(jià)格上漲，為了減少能源消耗，降低能源成本，普遍采用蒸汽氣罩。當前使用的蒸汽氣罩，蒸汽溫度約為160℃，如何使其達到最大的傳熱效能是筆者設計的目的。圖10所示為Nu數在不同H/D比值、Pr值下，隨r/D變化圖，其中Pr值表示Prandtl數，r為射流孔半徑。在不同的H/D情況下，被空氣沖擊物體表面，在滯止區內滯止點(diǎn)的傳熱強度最高。在不同的H/D比值下，被空氣沖擊物體表面Nu數變化可由圖10[9]看出。

　　圖10中ReD與NuD的計算分別見(jiàn)為式（4）與式（5）。式中，NuD為噴嘴直徑D的努塞爾數；hr為滯止點(diǎn)傳熱系數；D為噴嘴直徑；λ為氣體的導熱系數。由圖10分析可知，①?lài)娚渚嚯x對于傳熱的影響。由上述分析可得，射流孔板與被射流體即烘缸間距是影響傳熱的重要因素，建議將氣罩環(huán)邊與烘缸間距設計為18~20mm，主要目的是有一充足的間隙以阻止紙幅堵塞，間隙太大將使傳熱損失[10]。②射流速度對于傳熱的影響。射流速度直接影響著(zhù)Re數。射流速度uE的提高將使Re數提高，Re數的提高將使傳熱系數提高，射流速度應該≥烘缸轉動(dòng)線(xiàn)速度4倍。

　　3.2.2射流孔板的設計

　　目前射流孔板設計有多種形式[10],其中最優(yōu)化的設計為等邊三角形孔分布，如圖11所示，三角形射流孔板設計方法的選型如圖12所示。

　　重要的是蒸汽氣罩在設計與工程使用中，其氣體射流速度應該達到給定速度，否則達不到傳熱效果。工程實(shí)踐上的射流氣體流速不易測量，為此，應該從氣體箱中引出氣體壓力與氣體溫度測量裝置。當送風(fēng)結構設計中的送風(fēng)壓力、溫度、射流孔板結構設計等因素確定即可計算出射流氣體速度。為此，蒸汽氣罩設計者和制造商在氣罩出廠(chǎng)同時(shí)，應給出一個(gè)氣體壓力與溫度所對應的計算表，以便紙廠(chǎng)調整氣體的壓力與溫度，達到規定的射流氣體速度。