徐 峰 蘇雄波 Akhlesh Mathur 孫洪勇

(1.山東太陽(yáng)紙業(yè)股份有限公司,山東兗州,272100;2.BTG儀表廣州辦事處,廣東廣州,510620;3.BTG儀表新加坡辦事處,新加坡)

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·卡伯值分析儀·

單點(diǎn)卡伯值分析儀SPK-5500在化學(xué)漿線的應(yīng)用實(shí)踐

徐 峰1蘇雄波2,*Akhlesh Mathur3孫洪勇2

介紹了單點(diǎn)卡伯值分析儀SPK-5500在化學(xué)法制漿線的應(yīng)用實(shí)踐,包含SPK-5500的安裝準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試開機(jī)、標(biāo)定優(yōu)化和結(jié)果分析。對(duì)SPK-5500與工廠現(xiàn)有的多點(diǎn)式卡伯值分析柜的測(cè)量周期和結(jié)果相關(guān)性的比較,結(jié)果表明SPK-5500可改善工藝控制、提高運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。

在線單點(diǎn)卡伯分析儀；SPK-5500；卡伯值測(cè)量

(*E-mail: Xiongbo.Su@btg.com)

1 卡伯測(cè)量技術(shù)和單點(diǎn)卡伯值分析儀

紙漿的硬度表示原料經(jīng)蒸煮后所得紙漿中殘留木素和其他還原性有機(jī)物的含量,它相對(duì)地表示原料在蒸煮過(guò)程中去除木素的程度,即所謂蒸解度[1]。因此,硬度大的紙漿其蒸解度低。測(cè)定硬度時(shí),由于所用氧化劑和測(cè)定條件的不同,有多種硬度表示方法,最常用的是利用高錳酸鉀來(lái)測(cè)定高錳酸鉀值(簡(jiǎn)稱K值)以及貝克曼價(jià)、卡伯值(Kappa)。

1.1 實(shí)驗(yàn)室卡伯值測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的卡伯值表征纖維上殘余木素的含量(纖維卡伯值)。按照TAPPI和SCAN標(biāo)準(zhǔn)的約定,實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的卡伯值定義為1 g絕干漿料消耗0.02 mol/L的高錳酸鉀溶液的體積(毫升計(jì))。測(cè)試的結(jié)果再以50%的高錳酸鉀消耗量進(jìn)行折算。

1.2 傳統(tǒng)多點(diǎn)式卡伯值分析柜

一般制漿廠通過(guò)實(shí)驗(yàn)室卡伯值測(cè)量方法來(lái)控制蒸煮過(guò)程。但由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量卡伯值耗時(shí)長(zhǎng),且受化驗(yàn)人員和化驗(yàn)工作量的影響,不能滿足工藝控制的要求。因此實(shí)驗(yàn)室卡伯值測(cè)量只能用作后續(xù)的流程分析以及很有限的慢調(diào)型的前饋控制。以上不足導(dǎo)致了制漿工藝控制差、流程效率低、紙漿質(zhì)量差及生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。而且實(shí)驗(yàn)室測(cè)量是人為操作,主觀誤差的引入會(huì)加重測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)。

鑒于制漿造紙行業(yè)對(duì)自動(dòng)卡伯值測(cè)量的需求,20世紀(jì)80年代BTG公司率先推出了第一套多點(diǎn)式卡伯值分析柜KNA-5000。后續(xù)業(yè)內(nèi)逐漸在KNA系列的技術(shù)基礎(chǔ)上推出了類似的多點(diǎn)式卡伯值分析柜。多點(diǎn)式卡伯值分析柜工作時(shí),各取樣閥依次從流程管道中采取漿樣并通過(guò)取樣閥和傳送管道送到分析柜進(jìn)行測(cè)量,傳送管道中利用工藝水作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。在分析柜中,和實(shí)驗(yàn)法步驟一樣,漿料被充分的篩選和洗滌凈化。多點(diǎn)式卡伯值分析柜的工作原理是利用木素在制漿過(guò)程中是唯一能吸收紫外光的物質(zhì)。紫外光的吸收量通過(guò)標(biāo)定后作為卡伯值輸出[2]。傳統(tǒng)多點(diǎn)式卡伯值分析柜測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。為了滿足制漿廠不斷變化和增長(zhǎng)的要求,多點(diǎn)式卡伯值分析柜變得越來(lái)越復(fù)雜。隨著制漿工藝的發(fā)展,20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了氧脫木素和二氧化氯漂白等工藝,卡伯值分析儀只作為單一卡伯值測(cè)量的功能發(fā)生了改變。一柜帶多點(diǎn)以及在原本只測(cè)卡伯值的基礎(chǔ)上增加了白度和殘余物測(cè)量,一柜多點(diǎn)也導(dǎo)致了許多實(shí)際問(wèn)題的出現(xiàn)[3],如測(cè)量速度過(guò)慢,測(cè)量結(jié)果更新周期≥40 min；故障率高,主要表現(xiàn)在樣品管道堵塞、用水量大和保養(yǎng)維護(hù)要求高等問(wèn)題。當(dāng)然,多點(diǎn)式卡伯值分析柜對(duì)項(xiàng)目資金投入的占用也較大,如本色制漿或者升級(jí)改造中不能滿足項(xiàng)目預(yù)算和測(cè)量點(diǎn)數(shù)靈活性高的要求。

圖1 傳統(tǒng)多點(diǎn)式卡伯值分析柜測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 單點(diǎn)卡伯值分析儀

總結(jié)上述問(wèn)題,BTG公司在數(shù)年前便已停止了對(duì)多點(diǎn)式卡伯值分析柜的繼續(xù)研發(fā),經(jīng)過(guò)不斷探索開發(fā)了單點(diǎn)卡伯值分析儀。3種不同的在線單點(diǎn)卡伯值分析儀分別測(cè)量漿料中不同狀態(tài)下存在的木素含量,即SPK-5500測(cè)量纖維木素,DLT-5500測(cè)量溶解木素,BLT-5500測(cè)量總木素并同時(shí)輸出漿料白度值[4- 6]。3種單點(diǎn)卡伯值分析儀見圖2。

圖2 3種單點(diǎn)卡伯值分析儀

單點(diǎn)卡伯值分析儀(single point Kappa analyzer)SPK-5500是對(duì)傳統(tǒng)多點(diǎn)式卡伯值分析柜的模塊化、集成化(見圖3)。它將取樣與分析集成于一體,解決了傳統(tǒng)多點(diǎn)式卡伯值分析柜測(cè)量周期長(zhǎng)、取樣易堵塞等問(wèn)題。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)帶來(lái)無(wú)故障工作和穩(wěn)定的性能,使得SPK-5500成為現(xiàn)代化大型漿廠未漂工段和中小型漿廠在蒸煮工段進(jìn)行升級(jí)改造的首選方案。 本文以SPK-5500在國(guó)內(nèi)山東某大型造紙企業(yè)化學(xué)漿生產(chǎn)線的使用實(shí)踐為背景,介紹SPK-5500的功能結(jié)構(gòu)并對(duì)其改善制漿工藝和提高經(jīng)濟(jì)效益的作用進(jìn)行分析。

圖3 單點(diǎn)卡伯值分析儀SPK-5500

SPK-5500繼承了KNA系列多點(diǎn)式卡伯值分析柜相同的測(cè)量原理,但采取的是單點(diǎn)測(cè)量模式并可以直接安裝到需要測(cè)量卡伯值的管道位置上。

2 SPK-5500的現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試和開機(jī)

2.1 SPK-5500在噴放管現(xiàn)場(chǎng)安裝

蒸煮是化學(xué)法制漿工藝的起點(diǎn),良好的蒸煮對(duì)平衡、穩(wěn)定下游工段和漿料品質(zhì)的控制非常關(guān)鍵。卡伯值作為衡量蒸煮工藝的一個(gè)重要指標(biāo),因此卡伯值的快速準(zhǔn)確、可靠測(cè)量至關(guān)重要,對(duì)于現(xiàn)代化的制漿生產(chǎn)來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量卡伯值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制的需求。在蒸煮噴放鍋出口,由于漿料中所含粗漿和渣漿較多,且還含有節(jié)子、木片等未蒸解雜物,多點(diǎn)式卡伯值分析柜在該位置處面臨頻繁的取樣、管道堵塞等操作問(wèn)題,此外長(zhǎng)達(dá)40 min的測(cè)量周期也不能滿足自動(dòng)控制的要求。

現(xiàn)場(chǎng)漿線最初設(shè)計(jì)為生產(chǎn)化學(xué)漿,后經(jīng)改造可切換生產(chǎn)化學(xué)漿和溶解漿。生產(chǎn)溶解漿時(shí)預(yù)水解處理后再經(jīng)蒸煮的漿料中黑液成分特殊及含量高導(dǎo)致了卡伯值測(cè)量難度加大。SPK-5500被選擇安裝在最具難度的位置——蒸煮噴放鍋出口,來(lái)提高和改善該位置處的卡伯值測(cè)量,提高蒸煮工藝的可控性。SPK-5500安裝位置示意圖如圖4所示。

圖4 SPK-5500安裝位置示意圖

SPK-5500采用現(xiàn)場(chǎng)開口焊接的方式進(jìn)行安裝連接,與現(xiàn)場(chǎng)管道連接處采用和管徑相配合的半瓦片作為連接加強(qiáng)并配以輔助支撐,以抵抗管道震動(dòng)。該操作安裝簡(jiǎn)單,現(xiàn)場(chǎng)安裝僅需3 h。

2.2 SPK-5500開機(jī)和標(biāo)定

與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定步驟一致,SPK-5500在進(jìn)行卡伯值測(cè)量時(shí)也按漿料取樣、粗篩和洗滌的工序,最后合格的纖維被輸送到光學(xué)測(cè)量筒中利用UV-紫外光對(duì)木素含量即卡伯值進(jìn)行測(cè)量。SPK-5500工作時(shí)依次完成上述步驟。

取樣： SPK-5500利用活塞推動(dòng)取樣活塞進(jìn)入管道中取得漿樣。由于主動(dòng)取樣的活塞設(shè)計(jì)使得SPK-5500對(duì)流程和安裝位置的適用性強(qiáng)。

篩選：SPK-5500的上腔為篩選腔,根據(jù)漿料和流程特點(diǎn)的特定篩板對(duì)漿料進(jìn)行篩選,把對(duì)測(cè)量結(jié)果影響大的節(jié)子和大塊雜物篩除。

洗滌：利用特殊角度加入的水和壓縮空氣對(duì)漿料進(jìn)行充分的攪拌和洗滌,盡可能地降低溶解木素和細(xì)小纖維對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

測(cè)量：不在洗滌腔中洗滌完成的合格纖維不斷的稀釋測(cè)量,纖維穿過(guò)光學(xué)測(cè)量元件并根據(jù)木素對(duì)UV-紫外光的選擇性吸收來(lái)測(cè)量纖維上殘留木素的含量,經(jīng)標(biāo)定得到卡伯值。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)SPK-5500的同步取樣操作和樣品測(cè)量,SPK-5500進(jìn)行了初步標(biāo)定,在樣品數(shù)據(jù)有限的情況下得到了較為理想的標(biāo)定取樣,第一次初步標(biāo)定結(jié)果得到的數(shù)據(jù)相關(guān)性R2>0.82。SPK-5500初步標(biāo)定曲線見圖5。

圖5 SPK-5500卡伯值初步標(biāo)定曲線

制漿現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有1臺(tái)多點(diǎn)式卡伯值分析柜,SPK-5500在初步標(biāo)定后的測(cè)量結(jié)果與該多點(diǎn)式卡伯值分析柜的輸出同樣表現(xiàn)出了良好的一致性。

需要說(shuō)明的是該制漿線上原有的多點(diǎn)式卡伯值分析柜負(fù)責(zé)多點(diǎn)測(cè)量，但后續(xù)因?yàn)閷?duì)測(cè)量速度及維護(hù)量的考慮,其他測(cè)量點(diǎn)被取消僅保留了蒸煮噴放線的卡伯值測(cè)量點(diǎn),使得多點(diǎn)式卡伯值分析柜與單點(diǎn)卡伯值分析儀SPK-5500(約4～6 min/次)在測(cè)量頻率上相接近。

3 SPK-5500測(cè)量性能分析與對(duì)比

單點(diǎn)卡伯值分析儀SPK-5500繼承和發(fā)展了多點(diǎn)式卡伯值分析柜KNA系列和市面其他卡伯值分析柜的技術(shù)，測(cè)量原理上繼承了紫外光定性測(cè)量木素含量的方法,但在燈泡上采用了LED燈泡替換熱穩(wěn)定性差的鹵素?zé)襞荨?與多點(diǎn)式卡伯值分析柜相比,在測(cè)量性能上,SPK-5500具有測(cè)量頻率高、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 SPK-5500測(cè)量速度對(duì)比

SPK-5500采用了在線測(cè)量的方式,通過(guò)集成設(shè)計(jì)的方式將漿料取樣、篩選、洗滌和測(cè)量都在現(xiàn)場(chǎng)傳感器單元內(nèi)完成,相對(duì)多點(diǎn)式卡伯值分析柜節(jié)約了樣品輸送以及輸送管道沖洗等準(zhǔn)備步驟所需的時(shí)間。而且SPK-5500的單點(diǎn)設(shè)計(jì),保證了每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量速度最快、周期最短,普遍的運(yùn)行結(jié)果證明測(cè)量周期為4～6 min/次。SPK-5500測(cè)量周期統(tǒng)計(jì)見圖6。

圖6 SPK-5500測(cè)量周期統(tǒng)計(jì)

多點(diǎn)卡伯值分析柜測(cè)量點(diǎn)數(shù)≥4時(shí),測(cè)量周期明顯增加,長(zhǎng)達(dá)40 min/次。

圖7為SPK-5500與多點(diǎn)式卡伯值分析柜測(cè)量周期對(duì)比。1臺(tái)多點(diǎn)式卡伯值分析柜配4個(gè)測(cè)量點(diǎn)的情況下測(cè)量間隔為40 min,而SPK-5500采用一對(duì)一測(cè)量方式，其測(cè)量間隔為4～6 min。SPK-5500在測(cè)量周期上比多點(diǎn)式卡伯值分析柜明顯更短。

圖7 SPK-5500與多點(diǎn)式卡伯值分析柜測(cè)量周期對(duì)比

3.2 SPK-5500測(cè)量準(zhǔn)確性對(duì)比

在該實(shí)踐中,將單點(diǎn)卡伯值分析儀SPK-5500、其他廠家的多點(diǎn)式卡伯值分析柜和實(shí)驗(yàn)室對(duì)噴放線的卡伯值測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了跟蹤和對(duì)比。對(duì)比周期時(shí)長(zhǎng)為SPK-5500第一次標(biāo)定完成后1個(gè)月,以實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)分別進(jìn)行了如下的相關(guān)性分析。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果,SPK-5500在完成第一次初步標(biāo)定的條件下,與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的相關(guān)性達(dá)到了0.8013,完全達(dá)到了流程分析儀表所需要的精確度,圖8為 SPK-5500與室驗(yàn)室數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。而且期間因?yàn)楣に囌{(diào)節(jié)等操作變化,出現(xiàn)了階段性的標(biāo)定范圍之外的卡伯值運(yùn)行情況,這也在一定程度上影響了測(cè)量的精確度。而現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)式卡伯值分析柜,測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的相關(guān)性較低,僅為0.6318。

圖8 SPK-5500與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

4 SPK-5500對(duì)流程優(yōu)化的幫助和經(jīng)濟(jì)效益的分析

卡伯值作為化學(xué)法制漿的一個(gè)最重要的參數(shù),是整個(gè)制漿過(guò)程中木素去除和漂白效果的一個(gè)重要指標(biāo)。在蒸煮工段,出口卡伯值體現(xiàn)了蒸煮進(jìn)行的情況。 出口卡伯值過(guò)高,表示木片處于欠蒸煮狀態(tài)；出口卡伯值過(guò)低,表示木片已經(jīng)蒸煮過(guò)度。高的出口卡伯值可以帶來(lái)相對(duì)高的蒸煮得率,卻導(dǎo)致了后續(xù)篩選困難、洗滌效率低以及氧脫和漂白化學(xué)品消耗高的問(wèn)題；較低的出口卡伯值表示蒸煮得率低，帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益下降,但對(duì)后續(xù)氧脫和漂白化學(xué)品消耗減少[7]。由此可見,蒸煮卡伯值是一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定值,取決于工藝狀況和生產(chǎn)要求。因此,對(duì)蒸煮出口卡伯值的快速、準(zhǔn)確測(cè)量變得尤為重要[8]。

圖9為某漿廠SPK-5500運(yùn)行前后蒸煮卡伯值變化情況及優(yōu)化結(jié)果。由圖10可知,紅線為只通過(guò)多點(diǎn)式卡伯值分析柜測(cè)量蒸煮卡伯值,并以此作為調(diào)節(jié)蒸煮參數(shù)得到的蒸煮卡伯值曲線,測(cè)量周期長(zhǎng)、結(jié)果波動(dòng)大。黑線是安裝SPK-5500后并根據(jù)SPK-5500的測(cè)量結(jié)果調(diào)節(jié)蒸煮參數(shù),測(cè)量周期短、結(jié)果波動(dòng)小。相比多點(diǎn)式卡伯值分析柜40 min/次的測(cè)量周期,SPK-5500的快速準(zhǔn)確測(cè)量可以讓DCS系統(tǒng)和操作員更早地發(fā)現(xiàn)蒸煮卡伯值的變化情況和趨勢(shì),進(jìn)而提前做出判斷和采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)手段來(lái)穩(wěn)定卡伯值,減少工藝波動(dòng)。

通過(guò)基于SPK-5500的蒸煮卡伯值控制,該漿廠實(shí)現(xiàn)了卡伯值波動(dòng)減少了2個(gè)單位,并以此逐步提高蒸煮卡伯值的設(shè)定目標(biāo)值,實(shí)現(xiàn)了蒸煮目標(biāo)卡伯值提高2個(gè)單位的設(shè)想。蒸煮目標(biāo)卡伯值的提高,帶來(lái)的直接效果就是蒸煮得率增加。根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)和估算,該漿廠的蒸煮得率提高了約0.7%。按照30萬(wàn)t/a產(chǎn)量計(jì)算,蒸煮得率提高0.7%所帶來(lái)的木片原料成本節(jié)約每年達(dá)700萬(wàn)元，這樣SPK-5500的投資回報(bào)周期可縮短到不足兩個(gè)月。

圖9 基于SPK-5500的蒸煮目標(biāo)卡伯值優(yōu)化結(jié)果

5 總 結(jié)

通過(guò)對(duì)單點(diǎn)卡伯值分析儀SPK-5500現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和測(cè)量結(jié)果的分析,說(shuō)明該儀表在功能設(shè)計(jì)上很好地集成和改進(jìn)了傳統(tǒng)多點(diǎn)式卡伯值分析柜的原理和不足,通過(guò)模塊化和集成化的設(shè)計(jì)將單點(diǎn)卡伯值分析儀的取樣、篩選、洗滌和測(cè)量集成一體。在線的測(cè)量方式避免了樣品輸送過(guò)程中容易發(fā)生的堵塞情況,大大降低了儀表的故障率。單點(diǎn)儀表的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了儀表獨(dú)立完整測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的過(guò)程,避免了多點(diǎn)式卡伯值儀分析柜一旦出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的全面測(cè)量停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。單點(diǎn)設(shè)計(jì),在中小型漿廠以及項(xiàng)目改造中,可以逐點(diǎn)增加,降低了投資負(fù)擔(dān)。

單點(diǎn)卡伯值分析儀測(cè)量頻率高,4～6 min完成1次測(cè)量,滿足了現(xiàn)代化自動(dòng)生產(chǎn)的要求,為漿廠的自動(dòng)化升級(jí)提供了測(cè)量保障。根據(jù)SPK-5500對(duì)蒸煮、氧脫木素等關(guān)鍵工段的控制,可以減少卡伯值波動(dòng),穩(wěn)定和優(yōu)化目標(biāo)卡伯值,改善經(jīng)濟(jì)效益。

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(責(zé)任編輯：董鳳霞)

Application of Single Point Kappa Analyzer SPK-5500 in Chemical Pulp Production Line

XU Feng1SU Xiong-bo2,*Akhlesh Mathur3SUN Hong-yong2

(1.ShandongSunpaperIndustryJointStockCo.,Ltd.,Yanzhou,ShandongProvince, 272100;2.BTGInstrumentsChinaGuangzhouOffice,Guangzhou,GuangdongProvince, 510620; 3.BTGInstruments,Singapore)

The single point kappa analyzer SPK-5500 is the latest single point and online analyzer for kappa value measurement invented by BTG Instruments AB. The SPK-5500 has unique features which as online installation, fast measurement, blockage free and lower water consumption, etc. This paper introduced the application of SPK-5500 in a chemical pulp production line, including the installation, commissioning, calibration, fine tuning and data analysis. The relevance analysis of measurement cycle and result between SPK-5500 and mill’s existing multi point Kappa cabinet indicated that application of SPK-5500 could improve process stability and achieve better economic efficiency. The single point kappa analyzer SPK-5500 was a new tool for faster, accurate, blockage free Kappa measurement in chemical pulp production process.

single point kappa analyzer; SPK-5500; Kappa value measurement

徐 峰先生，工程師；主要從事制漿堿回收DCS系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)儀表的安裝、調(diào)試和維護(hù)工作。

(1.山東太陽(yáng)紙業(yè)股份有限公司,山東兗州,272100;2.BTG儀表廣州辦事處,廣東廣州,510620;3.BTG儀表新加坡辦事處,新加坡)

TS736+.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.01.012

2015- 06-28(修改稿)

*通信作者：蘇雄波先生，E-mail:xiongbo.su@btg.com。