單點卡伯值分析儀SPK-5500在化學漿線的應用實踐

徐 峰 蘇雄波 Akhlesh Mathur 孫洪勇

(1.山東太陽紙業股份有限公司,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·

單點卡伯值分析儀SPK-5500在化學漿線的應用實踐

徐 峰1蘇雄波2,*Akhlesh Mathur3孫洪勇2

介紹了單點卡伯值分析儀SPK-5500在化學法制漿線的應用實踐,包含SPK-5500的安裝準備、現場安裝、調試開機、標定優化和結果分析。對SPK-5500與工廠現有的多點式卡伯值分析柜的測量周期和結果相關性的比較,結果表明SPK-5500可改善工藝控制、提高運行穩定性和經濟效益。

在線單點卡伯分析儀；SPK-5500；卡伯值測量

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

1 卡伯測量技術和單點卡伯值分析儀

紙漿的硬度表示原料經蒸煮后所得紙漿中殘留木素和其他還原性有機物的含量,它相對地表示原料在蒸煮過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。測定硬度時,由于所用氧化劑和測定條件的不同,有多種硬度表示方法,最常用的是利用高錳酸鉀來測定高錳酸鉀值(簡稱K值)以及貝克曼價、卡伯值(Kappa)。

1.1 實驗室卡伯值測量方法

實驗室測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標準的約定,實驗室測量的卡伯值定義為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)。測試的結果再以50%的高錳酸鉀消耗量進行折算。

1.2 傳統多點式卡伯值分析柜

一般制漿廠通過實驗室卡伯值測量方法來控制蒸煮過程。但由于實驗室測量卡伯值耗時長,且受化驗人員和化驗工作量的影響,不能滿足工藝控制的要求。因此實驗室卡伯值測量只能用作后續的流程分析以及很有限的慢調型的前饋控制。以上不足導致了制漿工藝控制差、流程效率低、紙漿質量差及生產成本高等問題。而且實驗室測量是人為操作,主觀誤差的引入會加重測量結果的波動。

鑒于制漿造紙行業對自動卡伯值測量的需求,20世紀80年代BTG公司率先推出了第一套多點式卡伯值分析柜KNA-5000。后續業內逐漸在KNA系列的技術基礎上推出了類似的多點式卡伯值分析柜。多點式卡伯值分析柜工作時,各取樣閥依次從流程管道中采取漿樣并通過取樣閥和傳送管道送到分析柜進行測量,傳送管道中利用工藝水作為驅動動力。在分析柜中,和實驗法步驟一樣,漿料被充分的篩選和洗滌凈化。多點式卡伯值分析柜的工作原理是利用木素在制漿過程中是唯一能吸收紫外光的物質。紫外光的吸收量通過標定后作為卡伯值輸出[2]。傳統多點式卡伯值分析柜測量系統架構見圖1。為了滿足制漿廠不斷變化和增長的要求,多點式卡伯值分析柜變得越來越復雜。隨著制漿工藝的發展,20世紀90年代出現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量的功能發生了改變。一柜帶多點以及在原本只測卡伯值的基礎上增加了白度和殘余物測量,一柜多點也導致了許多實際問題的出現[3],如測量速度過慢,測量結果更新周期≥40 min；故障率高,主要表現在樣品管道堵塞、用水量大和保養維護要求高等問題。當然,多點式卡伯值分析柜對項目資金投入的占用也較大,如本色制漿或者升級改造中不能滿足項目預算和測量點數靈活性高的要求。

圖1 傳統多點式卡伯值分析柜測量系統架構

1.3 單點卡伯值分析儀

總結上述問題,BTG公司在數年前便已停止了對多點式卡伯值分析柜的繼續研發,經過不斷探索開發了單點卡伯值分析儀。3種不同的在線單點卡伯值分析儀分別測量漿料中不同狀態下存在的木素含量,即SPK-5500測量纖維木素,DLT-5500測量溶解木素,BLT-5500測量總木素并同時輸出漿料白度值[4- 6]。3種單點卡伯值分析儀見圖2。

圖2 3種單點卡伯值分析儀

單點卡伯值分析儀(single point Kappa analyzer)SPK-5500是對傳統多點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,解決了傳統多點式卡伯值分析柜測量周期長、取樣易堵塞等問題。獨特的結構和功能設計帶來無故障工作和穩定的性能,使得SPK-5500成為現代化大型漿廠未漂工段和中小型漿廠在蒸煮工段進行升級改造的首選方案。 本文以SPK-5500在國內山東某大型造紙企業化學漿生產線的使用實踐為背景,介紹SPK-5500的功能結構并對其改善制漿工藝和提高經濟效益的作用進行分析。

圖3 單點卡伯值分析儀SPK-5500

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

2 SPK-5500的現場安裝、調試和開機

2.1 SPK-5500在噴放管現場安裝

蒸煮是化學法制漿工藝的起點,良好的蒸煮對平衡、穩定下游工段和漿料品質的控制非常關鍵。卡伯值作為衡量蒸煮工藝的一個重要指標,因此卡伯值的快速準確、可靠測量至關重要,對于現代化的制漿生產來說實驗室測量卡伯值已經遠遠不能滿足生產調節和自動控制的需求。在蒸煮噴放鍋出口,由于漿料中所含粗漿和渣漿較多,且還含有節子、木片等未蒸解雜物,多點式卡伯值分析柜在該位置處面臨頻繁的取樣、管道堵塞等操作問題,此外長達40 min的測量周期也不能滿足自動控制的要求。

現場漿線最初設計為生產化學漿,后經改造可切換生產化學漿和溶解漿。生產溶解漿時預水解處理后再經蒸煮的漿料中黑液成分特殊及含量高導致了卡伯值測量難度加大。SPK-5500被選擇安裝在最具難度的位置——蒸煮噴放鍋出口,來提高和改善該位置處的卡伯值測量,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采用現場開口焊接的方式進行安裝連接,與現場管道連接處采用和管徑相配合的半瓦片作為連接加強并配以輔助支撐,以抵抗管道震動。該操作安裝簡單,現場安裝僅需3 h。

2.2 SPK-5500開機和標定

與實驗室測定步驟一致,SPK-5500在進行卡伯值測量時也按漿料取樣、粗篩和洗滌的工序,最后合格的纖維被輸送到光學測量筒中利用UV-紫外光對木素含量即卡伯值進行測量。SPK-5500工作時依次完成上述步驟。

取樣： SPK-5500利用活塞推動取樣活塞進入管道中取得漿樣。由于主動取樣的活塞設計使得SPK-5500對流程和安裝位置的適用性強。

篩選：SPK-5500的上腔為篩選腔,根據漿料和流程特點的特定篩板對漿料進行篩選,把對測量結果影響大的節子和大塊雜物篩除。

洗滌：利用特殊角度加入的水和壓縮空氣對漿料進行充分的攪拌和洗滌,盡可能地降低溶解木素和細小纖維對測量結果的影響。

測量：不在洗滌腔中洗滌完成的合格纖維不斷的稀釋測量,纖維穿過光學測量元件并根據木素對UV-紫外光的選擇性吸收來測量纖維上殘留木素的含量,經標定得到卡伯值。

通過實驗室與現場SPK-5500的同步取樣操作和樣品測量,SPK-5500進行了初步標定,在樣品數據有限的情況下得到了較為理想的標定取樣,第一次初步標定結果得到的數據相關性R2>0.82。SPK-5500初步標定曲線見圖5。

圖5 SPK-5500卡伯值初步標定曲線

制漿現場現有1臺多點式卡伯值分析柜,SPK-5500在初步標定后的測量結果與該多點式卡伯值分析柜的輸出同樣表現出了良好的一致性。

需要說明的是該制漿線上原有的多點式卡伯值分析柜負責多點測量，但后續因為對測量速度及維護量的考慮,其他測量點被取消僅保留了蒸煮噴放線的卡伯值測量點,使得多點式卡伯值分析柜與單點卡伯值分析儀SPK-5500(約4～6 min/次)在測量頻率上相接近。

3 SPK-5500測量性能分析與對比

單點卡伯值分析儀SPK-5500繼承和發展了多點式卡伯值分析柜KNA系列和市面其他卡伯值分析柜的技術，測量原理上繼承了紫外光定性測量木素含量的方法,但在燈泡上采用了LED燈泡替換熱穩定性差的鹵素燈泡。 與多點式卡伯值分析柜相比,在測量性能上,SPK-5500具有測量頻率高、準確性高的優點。

3.1 SPK-5500測量速度對比

SPK-5500采用了在線測量的方式,通過集成設計的方式將漿料取樣、篩選、洗滌和測量都在現場傳感器單元內完成,相對多點式卡伯值分析柜節約了樣品輸送以及輸送管道沖洗等準備步驟所需的時間。而且SPK-5500的單點設計,保證了每個點的測量速度最快、周期最短,普遍的運行結果證明測量周期為4～6 min/次。SPK-5500測量周期統計見圖6。

圖6 SPK-5500測量周期統計

多點卡伯值分析柜測量點數≥4時,測量周期明顯增加,長達40 min/次。

圖7為SPK-5500與多點式卡伯值分析柜測量周期對比。1臺多點式卡伯值分析柜配4個測量點的情況下測量間隔為40 min,而SPK-5500采用一對一測量方式，其測量間隔為4～6 min。SPK-5500在測量周期上比多點式卡伯值分析柜明顯更短。

圖7 SPK-5500與多點式卡伯值分析柜測量周期對比

3.2 SPK-5500測量準確性對比

在該實踐中,將單點卡伯值分析儀SPK-5500、其他廠家的多點式卡伯值分析柜和實驗室對噴放線的卡伯值測量結果進行了跟蹤和對比。對比周期時長為SPK-5500第一次標定完成后1個月,以實驗室測量數據為基礎分別進行了如下的相關性分析。

根據上述數據分析結果,SPK-5500在完成第一次初步標定的條件下,與實驗室結果的相關性達到了0.8013,完全達到了流程分析儀表所需要的精確度,圖8為 SPK-5500與室驗室數據相關性分析。而且期間因為工藝調節等操作變化,出現了階段性的標定范圍之外的卡伯值運行情況,這也在一定程度上影響了測量的精確度。而現場多點式卡伯值分析柜,測量結果與實驗室結果的相關性較低,僅為0.6318。

圖8 SPK-5500與實驗室數據相關性分析

4 SPK-5500對流程優化的幫助和經濟效益的分析

卡伯值作為化學法制漿的一個最重要的參數,是整個制漿過程中木素去除和漂白效果的一個重要指標。在蒸煮工段,出口卡伯值體現了蒸煮進行的情況。 出口卡伯值過高,表示木片處于欠蒸煮狀態；出口卡伯值過低,表示木片已經蒸煮過度。高的出口卡伯值可以帶來相對高的蒸煮得率,卻導致了后續篩選困難、洗滌效率低以及氧脫和漂白化學品消耗高的問題；較低的出口卡伯值表示蒸煮得率低，帶來直接的經濟效益下降,但對后續氧脫和漂白化學品消耗減少[7]。由此可見,蒸煮卡伯值是一個動態的穩定值,取決于工藝狀況和生產要求。因此,對蒸煮出口卡伯值的快速、準確測量變得尤為重要[8]。

圖9為某漿廠SPK-5500運行前后蒸煮卡伯值變化情況及優化結果。由圖10可知,紅線為只通過多點式卡伯值分析柜測量蒸煮卡伯值,并以此作為調節蒸煮參數得到的蒸煮卡伯值曲線,測量周期長、結果波動大。黑線是安裝SPK-5500后并根據SPK-5500的測量結果調節蒸煮參數,測量周期短、結果波動小。相比多點式卡伯值分析柜40 min/次的測量周期,SPK-5500的快速準確測量可以讓DCS系統和操作員更早地發現蒸煮卡伯值的變化情況和趨勢,進而提前做出判斷和采取相應的調節手段來穩定卡伯值,減少工藝波動。

通過基于SPK-5500的蒸煮卡伯值控制,該漿廠實現了卡伯值波動減少了2個單位,并以此逐步提高蒸煮卡伯值的設定目標值,實現了蒸煮目標卡伯值提高2個單位的設想。蒸煮目標卡伯值的提高,帶來的直接效果就是蒸煮得率增加。根據初步統計和估算,該漿廠的蒸煮得率提高了約0.7%。按照30萬t/a產量計算,蒸煮得率提高0.7%所帶來的木片原料成本節約每年達700萬元，這樣SPK-5500的投資回報周期可縮短到不足兩個月。

圖9 基于SPK-5500的蒸煮目標卡伯值優化結果

5 總 結

通過對單點卡伯值分析儀SPK-5500現場實踐和測量結果的分析,說明該儀表在功能設計上很好地集成和改進了傳統多點式卡伯值分析柜的原理和不足,通過模塊化和集成化的設計將單點卡伯值分析儀的取樣、篩選、洗滌和測量集成一體。在線的測量方式避免了樣品輸送過程中容易發生的堵塞情況,大大降低了儀表的故障率。單點儀表的設計,實現了儀表獨立完整測量一個點的過程,避免了多點式卡伯值儀分析柜一旦出現故障而導致的全面測量停機的風險。單點設計,在中小型漿廠以及項目改造中,可以逐點增加,降低了投資負擔。

單點卡伯值分析儀測量頻率高,4～6 min完成1次測量,滿足了現代化自動生產的要求,為漿廠的自動化升級提供了測量保障。根據SPK-5500對蒸煮、氧脫木素等關鍵工段的控制,可以減少卡伯值波動,穩定和優化目標卡伯值,改善經濟效益。

[1] Liu ShuChai. Pulp and Paper Analysis and Detection[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2004.

劉書釵. 制漿造紙分析與檢測[M]. 北京: 化學工業出版社, 2004.

[2] Zhao Tao, Mao Jingxian. Principle and Application of Automatic Kappa-Brightness Analyzer[J]. World Pulp and Paper, 2000, 19(3): 36.

趙 濤, 毛京賢. 卡伯值-白度自動分析儀測量原理及應用[J]. 國際造紙, 2000, 19(3): 36.

[3] Xu Feng. A Brief Analysisi on Application and Maintenance of Kappa Analyzer[J]. China Pulp & Paper Industry, 2014, 35(18): 50.

徐 峰. 卡伯分析儀的應用和維護[J]. 中華紙業, 2014, 35(18): 50.

[4] Niclas Anderssonl, Caroline Wilke, Tom Biazzo, et al. A New Sensor and a Novel Control Concept for Optimized Fiberline Operation[C]//TAPPI PEERS Conference, USA,2013.

[5] Rick Van Fleet, Duane Morningred, Steve Padasak, et al. Bleach Load-A new inline sensor based improvement for bleach plant advanced control[C]//TAPPI PEERS Conference, USA, 2012.

[6] Rick Van Fleet, Michel Dion, Sandy Beder-Miller, et al.Modern Bleach Plant Advanced Process Control Utilizing Inline Sensors and Model Predictive Control[C]//TAPPI International Pulp Bleaching Committee Conference, USA, 2011.

[7] ZHANG Chun-yun, HU Hui-chao, CHAI Xin-sheng. A Kinetic Model of Methanol Formation during Oxygen Delignification of Fast-growing Eucalyptus Kraft Pulps[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(8): 18.

張春云, 胡會超, 柴欣生. 速生桉木硫酸鹽漿氧脫木素過程中甲醇生成的動力學模型[J]. 中國造紙, 2012, 31(8): 18.

[8] LUO Xiao-lin, ZHAN Huai-yu,CHAI Xin-sheng. The Target Kappa Number of the Pulp in Kraft Pulping of Eucalyptus[J]. China Pulp & Paper, 2009, 28(4): 31.

(責任編輯：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系統及現場儀表的安裝、調試和維護工作。

(1.山東太陽紙業股份有限公司,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。