Среднее потребление воды на целлюлозно-бумажных комбинатах Соединенных Штатов составляет приблизительно 17 000 галлонов/тонну, при этом наиболее эффективные предприятия потребляют всего 4500 галлонов/тонну. Основная причина потребления воды связана с необходимостью перекачивать целлюлозу и ее побочные продукты на различных стадиях процесса производства бумаги. Волокнистая консистенция технологической среды может негативно сказаться на рабочей температуре и чистоте уплотнительных устройств вращающегося оборудования мельницы.
Поскольку в отрасли продолжают уделять особое внимание снижению воздействия на окружающую среду за счет потребления меньшего количества природных ресурсов и энергии, целлюлозно-бумажная промышленность сосредоточилась на сокращении потребления воды. В этой отрасли эксплуатация уплотнительных устройств в значительной степени влияет как на потребление воды с точки зрения непрерывной промывки уплотнительного устройства чистой пресной водой, так и на потребление энергии. Если учесть, что вода, поступающая в уплотнительное устройство, и технологический поток в конечном счете должна быть снова удалена в процессе испарения, также расходуется большое количество энергии в виде тепла.
Два наиболее распространенных уплотнительных устройства, используемые во вращающемся оборудовании в целлюлозно-бумажной промышленности, — это механические уплотнения и сальниковая набивка. Сальниковая набивка, по характеру эксплуатации, требует подачи на нее непрерывной струи воды через сливное отверстие, расположенное в сальниковой коробке. Такая промывка водой должна быть относительно чистой и производиться при постоянном давлении на 15-25 фунтов/дюйм2 (от 1 до 1,7 бар) выше, чем в сальниковой коробке, со скоростью потока около 1 галлона/мин (3,8 л/мин) в зависимости от размера оборудования. При непрерывном процессе это составляет 500 000 галлонов в год на единицу оборудования. Во многих случаях расход воды неограничен и неуправляем, что приводит к гораздо более высокому потреблению, чем необходимо.
Если используется одно механическое уплотнение, нормы расхода воды часто аналогичны нормам для уплотнения насоса, поскольку сохраняется требование поддерживать уплотняющее устройство в прохладном и чистом состоянии. При модернизации в старом оборудовании часто меняют набивку на механические уплотнения для повышения энергоэффективности, а также улучшения рабочей зоны за счет устранения утечек в атмосферу, связанных с набивкой. Наряду с повышением энергоэффективности и улучшением состояния окружающей среды механические уплотнения снижают эксплуатационные расходы, поскольку предотвращают повреждения вала и втулки.
3.8 l/min [1 GPM] 20°C [70°F] — 3,8 л/мин [1 галлон/мин] 20°C [70°F]
Рисунок 1. Насос с динамическим уплотнением вала/втулки, требующим замены со временем (Изображения предоставлены Ассоциацией производителей уплотнительных устройств).
Рисунок 2. Насос с механическим уплотнением и статической поверхностью втулки вала/уплотнения (план API 32)
Рисунок 3. Двойное механическое уплотнение с подводом от источника воды к входу, а затем к сливу
На рисунке 2 показана типичная схема работы единственного механического уплотнения, установленного в центробежном насосе, работающем со средами, содержащими твердые или волокнистые частицы. Для волокнистых сред не всегда рекомендуется использовать ограничительную втулку, и в некоторых конструкциях насосов диаметр уплотнительной камеры может быть большим и сужаться, чтобы исключить использование ограничительной втулки. Чтобы уменьшить разбавление продукта и снизить энергозатраты в процессе выпаривания, некоторые пользователи переходят от одинарных механических уплотнений к двойным. Потребность в воде для охлаждения и очистки уплотнительного устройства остается; однако при двойном механическом уплотнении в технологический поток поступает мало воды. Объем будет измеряться в жидкостных унциях в день, а не в галлонах в минуту. Вода для промывки уплотнения часто подается по трубопроводу к входному отверстию уплотнения, в то время как к выходному отверстию подведен трубопровод для слива. При этом объем воды, потребляемый на единицу оборудования, остается одинаковым для сальниковой набивки насоса и одного механического уплотнения. Общепринятая практика заключается в использовании клапанов на сливной стороне трубопровода для ограничения потока и давления на внутренней и внешней поверхностях уплотнений.
Как и набивка промывочного насоса или одинарные механические уплотнения, двойные механические уплотнения работают лучше всего, когда промывочная вода подается под давлением на 15-25 фунтов/дюйм2 (от 1 до 1,7 бар), превышающим давление в камере уплотнения. Благодаря наличию положительного запаса давления, превышающего давление в камере уплотнения, технологическая среда не может загрязнять торцы механических уплотнений, и только небольшое, но постоянное количество промывочной воды проникает через торцы в технологический процесс. Важно использовать надежный источник воды под давлением, поскольку преждевременный выход из строя двойного механического уплотнения зачастую может быть обусловлен переменным давлением воды и расходом из водяного коллектора, связанным с другими технологическими требованиями на участке перед соединением уплотнительной воды.
Рисунок 4. Двойное механическое уплотнение с ограничительным резервуаром, находящимся под давлением из промывочного коллектора
Таким образом, использование двойных механических уплотнений улучшает качество продукции и снижает энергозатраты на испарение воды, поступающей из уплотнительных устройств для промывки технологического процесса на следующих этапах производственного процесса. Этот метод промывки уплотнения может быть дополнительно усовершенствован для увеличения срока службы уплотнения и снижения расхода воды.
На рисунке 4 показана типичная барьерная система под давлением согласно Plan 53A Американского института нефти (API), которую производители механических уплотнений могут модифицировать для создания ограничительных систем с замкнутым контуром подачи воды. Благодаря использованию ограничительных резервуаров для подачи воды с двойным механическим уплотнением, часто называемой барьерной системой с замкнутым контуром, механическое уплотнение может получать холодную, чистую воду, необходимую для правильной работы, без слива большого количества воды в канализацию. Для двойных механических уплотнений с барьерной системой с замкнутым контуром единственная потеря воды из системы — это вода, которая проходит через внутреннюю и наружную поверхности уплотнений (несколько жидкостных унций в день).
Это решение практически исключает использование воды для работы уплотнения и любое загрязнение водой технологического процесса. К другим преимуществам, связанным с использованием правильно сконфигурированной барьерной системы, можно отнести защиту работы уплотнения от сбоев на входе, возможность регулировать подачу воды в уплотнение при заданном давлении, возможность обеспечивать постоянный мониторинг работоспособности механического уплотнения, а также два уплотнения, которые могут работать как единое уплотняющее устройство в течение короткого периода времени в случае сбоя при промывке или уплотнении.
Ни одно уплотняющее устройство или вариант промывки уплотнений не может быть идеальным для всех сфер применения на целлюлозно-бумажном комбинате. Однако в настоящее время используются различные варианты уплотнений, которые могут снизить потребление воды и энергии, обеспечивая при этом надежную герметизацию целлюлозно-бумажного оборудования. При рассмотрении вариантов сокращения потребления ресурсов предприятия проконсультируйтесь с поставщиками уплотнений и выясните, может ли другое решение помочь вам достичь поставленных целей.
Стивен Буллен завершил образование в качестве специалиста по проектированию в области машиностроения в 2001 году, работая на своей первой работе по проектированию, производству и спецификации уплотнительных устройств для вращающегося оборудования. Более 22 лет проработал в отрасли уплотнений, занимая различные должности в отделениях проектирования и испытания, производственного инжиниринга, прикладной инженерии, управления продажами и выпуском продукции. В настоящее время Буллен работает в компании A.W. Chesterton.
Дополнительная информация представлена на сайте www.chesterton.com.
