造纸工业制浆和碱回收过程的自动化和仪表

造纸工业制浆和碱回收过程的自动化和仪表袁国栋本文作者袁国栋先生，上海电气—西派埃自动化系统集成公司副总工程师。

一概述造纸工业是国民经济的一个重要产业部门，人们常以纸产品的消耗水平作为衡量一个国家经济发展和文化水平的标志。

它本质上是一个以纤维为基础，以水为处理介质，与国民经济相适应而发展的制造业；整体过程流程长，技术复杂，能耗大，污染治理问题突出。

中国造纸工业21世纪的展望表明：在近期和将来相当长的一段时期内，中国造纸工业将保持持续高速增长，同时进行原料、产品和技术结构调整，走规模化自动化之路，依靠高新技术、科技进步进行技术改造，优化产品、提高质量、节能降耗。

由于造纸原料纷杂，成品品种规格近万，因此生产方法也相应不同。

本文以最流行的以木材为主要原料，采用硫酸盐法制浆，长网多烘缸纸机抄造的纸厂为例，对其工艺特点和仪表配置作一概要的叙述(见图1)。

备料车间是对各种造纸原料进行初加工，使之符合机械制浆和化学制浆的要求，主要包括贮运、去皮、切断、切片、筛选、除尘等属机械性的处理，仪表配置较少，一般配有金属检测报警器、原料水分测定仪和电子皮带秤等。

主要生产车间有制浆、造纸、碱回收等。

二制浆车间自动化用机械或化学的方法从原料中分离纤维，通常，化浆车间包括蒸煮、洗浆、筛浆、漂白等工序。

1. 蒸煮工段木片在药液(NaOH+Na2S)和温度条件下，木质素、胶质等溶解，纤维游离，优化蒸煮过程是获得一定质量(卡伯值)粗浆稳产、高产的关键。

蒸煮器有间歇式和连续式，有立式和卧式，按生产方法又可分为酸法、碱法、中性法等。

硫酸盐法间歇蒸煮锅的生产过程是：装入一定重量和含水量的木片及药液(按一定液比的白液和黑液)之后，通过外部药液加热器进行间接加热和体外循环，按保温——小放汽——升温——保温——放汽——放锅程序进行蒸煮。

蒸煮通汽最初由蒸汽流量控制器控制，并防止蒸煮初期大量通汽造成锅炉重负。

然后由时间程序控制器控制，两者通过低值选择器转换。

当控制通汽使锅温升至温度程控器对应值时，程控器即通过低信号选择继动器使系统按其设定的温度曲线控制通汽，并记录蒸煮器顶部压力和顶部、底部温度，根据后者的差值可以判断蒸煮器内循环状况。

在蒸煮过程中，木片带来的空气等不凝缩气体被逐出，使锅压呈现超过与实际锅温对应的饱和汽压的假压。

根据这一差值控制放汽并防止药液过量泄出，以保证锅内温度的正压。

小放汽调节器可以是一个有双指针的两个刻度盘的模拟量差值调节器或具有记忆的逻辑运算的数字控制器，根据出现假压的差值控制放汽阀。

蒸煮是一个多种组分并存的复杂的物理化学反应过程，有多达7～8项影响因素。

如原料一定则最重要的变量为三项：f(t、T、有效碱)；如测出锅内有效碱浓度的变化，则利用计算机技术可以仿真，进行有效的控制。

a. 蒸煮液有效碱浓度检测蒸煮进程中不断消耗有效碱，致使蒸煮速度变缓。

因此，为了控制蒸煮进程，必须检测蒸煮液有效碱浓度。

方案之一是活塞泵将抽取的蒸煮液样品送到测量器，恒温室恒温后送入测量室，在这里与足量的碳酸气作用：CO2+H2O→H2CO3+476kCal/molH2CO3+2NaOH→Na2CO3+2H2O+11.11kCal/mol上述释放的溶解热和中和热与蒸煮液中NaOH浓度成正比，因此，通过测定反应前后的温度差，即可得到蒸煮液中有效碱的浓度值。

b. 计算机控制蒸煮过程由于蒸解度与有效碱浓度的关系为：dL/dt = –K・C・L式中K——相对反应速度常数L——木素含量C——有效碱浓度控制蒸煮过程，需要找出表征上述复杂变化的数理方程。

经多年理论和实践证实，通过控制一个由蒸煮温度和时间的综合参数——H因子，就可以达到一定K值的预期效果：H=∫e(A-B/T)dt式中T——温度t——蒸煮时间A，B——反应速度常数其物理意义是：蒸煮脱木素的程度(卡伯值K)可用蒸煮温度(反应速率)和蒸煮时间所绘成曲线构成的面积来表征和控制。

H因子设定值根据硫化度、预测K值及有效碱残余量的变化动态确定。

根据H因子进行蒸煮实时控制(见图2)。

仪表作为备用设置，在计算机离线时通过低值自动选择继动器自动选择蒸汽流量控制或升压控制，以此完成通汽操作。

图3为间歇蒸煮K值或卡伯值控制系统示意图，它采用一种称为模型基准控制的预测和动态模型技术来调整H因子的设定值，该控制方案中采用的预测模型包括了残碱、硫化度、用碱量及未蒸解分含量等因素，其输出作为卡伯值调节器的输入，作为蒸煮过程的质量控制。

预测模型和动态模型要根据K值或卡伯值的实验测定结果周期地进行校正。

2. 洗筛工段洗涤纸浆希望用最少量的水而得到较高浓度的滤液，以节省以后碱回收车间的负荷和能耗，为了保障洗浆洁净和上述目的，通常采用热水逆流操作。

纸浆从第一段进入，热水自末段送入，洗下的滤液作为前一段的洗液。

在末段洗浆机的水腿上装有带温度补偿的旁路取样室，测定滤液导电度，组成洗液浓度与洗涤热水流量的串级调节系统。

3. 漂白工段漂白过程是在一系列化学反应中完成的，硫酸盐浆一般采用四段连续漂白工艺(CEHD)，严格控制这些反应，旨在达到一定漂白度的前提下节省化学药物，并使纤维强度不受损伤。

四段漂白的第一段是低浓度氯化，使氯与浆料混合，从而与残余木质素反应。

洗后浆料进入第二段——碱抽提段，被氯化的木质素和其它碱溶出物被溶解在氢氧化钠中。

再次洗涤后进入第三段——次氯酸盐漂白。

次氯酸盐溶解破坏带色物质，洗去后，在第四段使用二氧化氯(ClO2)进一步漂白。

经最后一次洗涤后，贮存在立式浆池内送抄纸车间抄纸。

洗后浆池和漂后浆池上装有液位计，作为操作人员掌握浆料供应和造纸用浆的依据。

各漂白塔也装有液位和温度调节仪，使浆料在每个塔内保持适宜的温度和停留时间。

此外，主要控制回路如下。

a. 浆料和漂白剂量的比例调节为了得到浆料的绝干量必须测量纸浆浓度和流量。

漂白剂等化学药品加入量可根据下列算式进行调节。

G=KQC式中K——比例常数Q——纸浆流量C——纸浆浓度b. 漂白氯化反应的控制氯化过程的用氯量是以氯化作用终止时所剩下的有效氯为依据的，此时浆中的氧化还原电位是与有效氯浓度的对数成函数关系：E=A+Blog(Cl2)因此，在氯化塔的适当位置进行氧化还原电位(O.R.P)的测量，调节器的输出作为氯气加入量调节器的设定值；组成氧化还原电位—氯气加入量的串级调节系统。

c. 用白度法(光电白度计或比色白度计)控制漂白在线白度计用来对氯化塔进口的纸浆进行检测；采用红、蓝两种波长的光波。

试验证明：红光(波长为600～650nm)的反射几乎与纸浆的白度无关。

而由于木质素吸收蓝光，因此白度对蓝光(波长为457nm)的反射影响很大，这样的差动线路很大程度上消除了浆层上的水蒸气、浆层厚度以及浆层表面形态等的影响，可以高精度地测定对褐橙色的偏差。

此白度计的最大缺点是受纸浆波动的影响。

如果使用可见光及浓度补偿的双波长红外线白度传感器，由于它在接液部还使用光导纤维来传递信号，因而进一步提高了测量灵敏度。

三碱回收车间从经济和环保考虑，必须对蒸煮洗浆废液进行回收、再生、再利用。

回收包括黑液中无机物——碱的回收和有机物的热回收两个部分，主要工段有蒸发、燃烧、苛化和石灰回收。

洗浆黑液主要成分为碱木素、多种有机酸的钠盐和残存的NaOH、Na2S，其浓度较低，约为16%，需配浓度到22%，再经蒸发浓缩到60%左右才能送入碱回收炉燃烧。

1. 蒸发工段蒸发操作通常采用混流式多效真空蒸发，各效蒸发器顺次维持一定压差，使各效在不断降低的沸点下沸腾。

每一效蒸发器产生的蒸汽都作为下一效的加热蒸汽，最后一效通常是在真空条件下蒸发的。

压力约0.4MPa、温度约148℃的蒸汽，在压力调节器的作用下，维持稳定压力进入第一效蒸发器。

由于非电解质黑液的沸点升高与其密度有着确定的关系，因此取差值作为调节器的设定值，组成串级调节系统，可以稳定出效的浓黑液的浓度，这是蒸发机组的一个主要指标。

多效蒸发器系统容量大、滞后时间长，蒸发过程的主要干扰来自进效稀黑液流量波动。

为了取得更好的控制效果，采用前馈调节系统。

当稀黑液的流量变动还没有进入过程时，就向前馈调节系统发出信号。

第一前馈信号是由流量信号通过动态补偿器补偿动态滞后的影响，经乘法器(系数根据加热蒸汽量/进料黑液量决定)作为设定值，黑液密度作为反馈调节信号，以补偿进效黑液浓度等其他干涉影响。

后三效也是一个前馈——反馈调节回路，调节序数是皂液分离槽的黑液流量，其设定值来自稀黑液进料流量和皂液分离糟液位经乘法器输出。

2. 燃烧工段黑液回收锅炉是制浆工厂的一种特种的化学品回收锅炉。

它本质上是一种根据工厂制浆产量决定的固定负荷的设备。

蒸汽只是化学药品回收的副产品，所以蒸汽流量、压力不是通过调节进炉黑液(燃料)来控制的。

它产生的蒸汽通到与常规动力锅炉相连的蒸汽总管上，由该动力锅炉来补偿工厂的负荷波动。

来自多效蒸发器的浓度45～50%的黑液送至圆盘蒸发器中，与来自回收炉的热烟道气直接接触，进一步蒸发脱水蒸汽到65～70%，补充系统消耗的芒硝和硫璜，通过加热器加热到104～116℃，经摆动喷枪喷入炉内；在一定温度和风量下燃烧产生蒸汽，热烟气送圆盘蒸发器作为热源蒸浓黑液。

由可溶性盐和一些杂质组成熔融物在溶解槽内成为绿液，并泵入苛化工段。

在这一系统中除了锅炉上配有常规的三冲量汽包水位调节器，以及炉膛、烟道各点温度、压力测量等以外，还有以下一些特殊点：(1)进炉黑液流量由一个耐污染的电磁流量计测量。

据此，通过流量比调节器控制补充芒硝的加入量。

(2)黑液在主、副加热器加热，由主、副调节器控制温度，通过流量变送器得到的流量信号，调节变速泵的泵量。

(3)为了保证充分燃烧，总空气流量与黑液流量比率必须适当。

此比值控制由调节器承担，烟道排烟设有含氧量记录仪，以便更好地确定空/燃比，调节引风机转速以维持炉内适当的负压。

(4)熔融物经过炉底进入一个溶解槽成为绿液，其液位由液位调节器维持恒定，绿液密度记录调节器维持绿液密度恒定。

3. 苛化工段苛化是把燃烧工段送来的绿液中的Na2CO3在苛化反应器中与石灰Ca(OH)2反应生成苛性纳与白泥CaCO3的过程。

为了使苛化反应获得最大转化率，把三台苛化器串联进行连续苛化，并控制苛化温度。

苛化生成的NaOH送蒸煮车间回用，CaCO3泵送石灰回收工段煅烧变成石灰，再被回用于苛化绿液。

4. 白泥回收工段由苛化工段过滤机送来的白泥，其固形物含量为65%。

进入转窑上部喂料端，随转窑转动而向下运动过程中被逆向加热。

经历干燥、升温、煅烧三阶段，蒸发去水，分解CO2，生成CaO，石灰送苛化工段回用。

本工段生产、检测、控制的基本原则，是以最少的燃料消耗生产高质量的石灰，要控制助燃空气使燃烧完全、温度稳定又不要过量；要使燃料和原料的含水量尽量稳定，并在窑内保持恒定的最佳停留时间。