淺談制漿造紙過程中濃度變送器的選型及應(yīng)用

汪波

(中國(guó)輕工業(yè)長(zhǎng)沙工程有限公司第二咨詢?cè)O(shè)計(jì)事業(yè)部，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

紙漿是水中懸浮纖維等固體物質(zhì)的兩相流體，所謂紙漿濃度，就是每升懸浮液中含有絕干纖維量的百分?jǐn)?shù)。紙漿濃度由于其物理特性，懸浮顆粒大，還受溫度、壓力、纖維種類、流速、打漿度等因素影響，因而其在線測(cè)量比其他參數(shù)難度大。

在制漿生產(chǎn)中，在線精確測(cè)量紙漿濃度，可以穩(wěn)定打漿效果。在抄紙生產(chǎn)過程中，實(shí)時(shí)精確測(cè)量紙漿濃度，可以穩(wěn)定上網(wǎng)紙漿濃度、減少紙張定量波動(dòng)、增加抄紙穩(wěn)定性，從而提高紙張質(zhì)量。因此，獲得精確、可靠的紙漿濃度是至關(guān)重要的。本文通過工程實(shí)例，針對(duì)制漿造紙工程設(shè)計(jì)中常用濃度變送器選型進(jìn)行探討。

1 濃度變送器概述

在制漿造紙生產(chǎn)中，對(duì)紙漿濃度進(jìn)行測(cè)量、指示并可以輸入4～20mA電流信號(hào)到DCS系統(tǒng)的儀表，稱為濃度變送器。紙漿濃度的測(cè)量方法主要有間接測(cè)量法和直接測(cè)量法。目前在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的紙漿濃度測(cè)量法大多為間接測(cè)量法，間接測(cè)量法是利用紙漿懸浮液的各種物理特性，把紙漿濃度轉(zhuǎn)換成為比較容易測(cè)量的其他物理參數(shù)，如力矩、光通量等，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)化，從而得到紙漿的濃度。而直接測(cè)量法是利用微波在不同濃度的纖維中傳播時(shí)間的不同，從而直接得到紙漿濃度的測(cè)量值。

目前，造紙行業(yè)主流的紙漿濃度測(cè)量方法主要分為力學(xué)測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法、微波測(cè)量法。力學(xué)測(cè)量變送器主要有刀式、旋轉(zhuǎn)式濃度變送器，光學(xué)測(cè)量法變送器主要有光學(xué)式濃度變送器，微波測(cè)量法主要有微波式濃度變送器。

2 濃度變送器的選型及應(yīng)用

制漿生產(chǎn)過程是抄紙生產(chǎn)的前置階段，合適的紙漿濃度是配漿和上網(wǎng)的前提條件，只有穩(wěn)定精確的測(cè)出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的紙漿濃度，才能滿足后續(xù)的抄紙生產(chǎn)，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

下面以華中地區(qū)某造紙廠的OCC制漿生產(chǎn)線及配漿線為例，分析制漿、造紙生產(chǎn)各個(gè)階段的濃度變送器選型方法。

2.1 制漿過程關(guān)鍵點(diǎn)濃度變送器選型

該生產(chǎn)線為生產(chǎn)瓦楞紙的1600bdt/d OCC生產(chǎn)線，制漿過程有碎解、高濃除砂、貯漿、粗篩、精篩、熱分散、磨漿等生產(chǎn)過程。其中幾個(gè)階段都需要濃度測(cè)量，如果上一階段的濃度測(cè)量無法滿足測(cè)量要求，則下一階段的測(cè)量就會(huì)受到影響。下面介紹制漿過程關(guān)鍵點(diǎn)的濃度變送器選型方法和原則。

（1）碎漿機(jī)后的濃度變送器選型。

由于此碎漿生產(chǎn)線為OCC線，即廢紙碎漿線，通過碎漿機(jī)加入一定量的生產(chǎn)白水，從而把廢紙打碎成最初的紙漿。由于是廢紙打碎而成的纖維，因此，最初的廢紙漿含有大量的雜質(zhì)，這就對(duì)濃度的測(cè)量提出了挑戰(zhàn)。

如此處選用常規(guī)的刀式濃度變送器，由于此處纖維顆粒不均，且雜質(zhì)較多，測(cè)出的濃度誤差非常大，不能為后續(xù)提供準(zhǔn)確濃度輸入值。而選用旋轉(zhuǎn)式濃度變送器，由于雜質(zhì)的存在，會(huì)損壞刀片，造成使用壽命縮短，而且后期維護(hù)也麻煩。

根據(jù)作者多年的選型經(jīng)驗(yàn)，此處選用光學(xué)式濃度變送器最為適合，此處選擇BTG公司的TCR-251系列變送器。

圖1 光學(xué)式濃度變送器的測(cè)量原理

圖1是TCR-251光學(xué)濃度變送器采用峰值法來測(cè)量紙漿懸浮物的總濃度的示意圖。首先，基于紙漿懸浮物中含有大小不同的各種纖維，細(xì)小的光束指向漿料懸浮物而受纖維大小兩種粒子的影響。如果在很短一段時(shí)間內(nèi)，單根纖維經(jīng)過光束，纖維的作用就像一面鏡子，反射出大量的光，當(dāng)懸浮物通過測(cè)量窗口時(shí)，就激活了一個(gè)包含兩種粒子的直流信息，這些信號(hào)組合后，就可以作為懸浮物的總濃度的測(cè)量依據(jù)。

（2）卸料漿塔后的濃度變送器選型。

卸料卸料漿塔是碎解之后的漿料，經(jīng)過高濃除砂后，流入貯漿塔，貯漿塔卸料泵后需要進(jìn)行初步的濃度調(diào)節(jié)。由于此處的漿料已經(jīng)過高濃除砂等前置環(huán)節(jié)，漿料中的雜質(zhì)已大大降低，并且后續(xù)的漿料還需要繼續(xù)進(jìn)行濃度調(diào)節(jié)，此處對(duì)濃度的要求精度并不高，因此，此處宜選用價(jià)格較為經(jīng)濟(jì)而又非常常用的刀式濃度變送器。

此處需提出注意的是，由于漿泵和漿管的彎頭容易使?jié){料在流動(dòng)過程中產(chǎn)生湍流，而這些湍流又會(huì)直接影響濃度變送器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，因此刀式濃度變送器的安裝必須要保證一定的直管段。通常來說，刀式濃度變送器的前端管道（上游）離泵口或者彎頭的直管段距離，通常是10倍的漿管管徑（10D），后端管道（下游）是5倍的漿管管徑（5D）。只有注意此安裝要求，才能使刀式濃度變送器滿足濃度測(cè)量要求。

（3）熱分散系統(tǒng)的濃度變送器選型。

熱分散過程是此條OCC生產(chǎn)線的一個(gè)重要生產(chǎn)過程，對(duì)漿料的質(zhì)量提高具有非常重要的作用。所謂熱分散，就是在高溫高濃下對(duì)廢紙漿施以高剪切力，借機(jī)械摩擦和沖擊及纖維間的摩擦和揉搓作用，進(jìn)一步將纖維上未剝離的殘余油墨剝離下來，并使?jié){中所含油墨、膠黏物等雜質(zhì)細(xì)微化而均勻分散的過程。因此，熱分散是紙漿的均質(zhì)化過程，是提高漿料質(zhì)量的操作過程。

由于熱分散的生產(chǎn)工藝決定，進(jìn)入熱分散熱分散系統(tǒng)的漿料應(yīng)是中高濃度的漿料，本項(xiàng)目中漿料濃度約為10.5%左右，由于濃度的增高，使用常規(guī)價(jià)格較為便宜的刀式濃度變送器，已無法滿足測(cè)量要求，而光學(xué)式濃度變送器一般適用于6%以下的漿料濃度的測(cè)量。由于此處生產(chǎn)工藝的特殊性，需選用中濃的旋轉(zhuǎn)式濃度變送器。此項(xiàng)目選用BTG公司的MEK-2500MC中濃旋轉(zhuǎn)式濃度變送器，測(cè)量濃度范圍為2%～14%，能夠滿足熱分散前后的濃度測(cè)量要求。旋轉(zhuǎn)式濃度變送器屬于間接測(cè)量濃度的儀表，當(dāng)濃度增加時(shí)，轉(zhuǎn)子受到紙漿纖維的摩擦力增加，從而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出量增大。旋轉(zhuǎn)式濃度變送器轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力可用下式表示：

式中:F為紙漿對(duì)轉(zhuǎn)子表面的摩擦力；A為濃度變送器轉(zhuǎn)子的表面積；為轉(zhuǎn)子和紙漿之間的速度梯度；μ為紙漿的視在粘度；而μ可由以下函數(shù)表示：

式中，C為紙漿懸浮液濃度；V為紙漿粒子的運(yùn)動(dòng)速度；T為紙漿的溫度；pH紙漿的酸堿度；S為紙漿的組分；SR為紙漿的打漿度。

從以上函數(shù)關(guān)系式中不難得出，除紙漿濃度為測(cè)量參數(shù)外，一旦紙漿的種類確定，其他參數(shù)幾乎不變，影響較大的就是旋轉(zhuǎn)式濃度變送器轉(zhuǎn)子的速度。因此，據(jù)此不難得出紙漿的濃度。

與刀式濃度變送器相比，旋轉(zhuǎn)式濃度變送器的直管段要求較低，一般變送器的前端管道（上游）離泵口或者彎頭的直管段距離，通常是1m或者3倍的漿管管徑（3D），后端管道（下游）是0.5m或1.5倍的管徑（1.5D）。

2.2 抄紙過程關(guān)鍵點(diǎn)濃度變送器選型

配漿是紙漿上網(wǎng)的重要階段，只有在此階段調(diào)節(jié)好上網(wǎng)的紙漿濃度，才能獲得較好的紙張質(zhì)量。

本工程中配漿過程為長(zhǎng)纖漿、短纖漿、損紙漿、回收漿等四種漿按QCS系統(tǒng)來的設(shè)定值按一定的比例混合后進(jìn)入配漿池，混合后，根據(jù)紙漿上網(wǎng)要求調(diào)濃，進(jìn)入成漿池，在進(jìn)入沖漿泵前，再次調(diào)濃，確保上網(wǎng)濃度。

在該流程中，這兩點(diǎn)的測(cè)量非常關(guān)鍵，此處的濃度控制的越好，纖維含量越準(zhǔn)確，生產(chǎn)成本就越低。

本工程中，第一環(huán)節(jié)為各種紙漿按比例混合后調(diào)濃，測(cè)量混合漿池后的濃度。此處濃度尚未穩(wěn)定，濃度波動(dòng)較大，此處必須要獲得較精確的濃度值。從上文制漿過程濃度選型中易知，旋轉(zhuǎn)式濃度變送器能夠很好的克服這一缺點(diǎn)，測(cè)出較為精確的濃度。因此，此處選擇BTG公司的旋轉(zhuǎn)式濃度變送器MEK-2500。

第二環(huán)節(jié)為成漿池后的濃度調(diào)節(jié)。此處的工藝特點(diǎn)是除了紙漿纖維外，還有填料等各種化學(xué)品，此處需要測(cè)量含有填料的紙漿總濃度。微波濃度變送器的測(cè)量不受漿段不同纖維長(zhǎng)度、游離度、纖維種類或漿料配比的影響，由于纖維和填料這樣的固體傳播速度比水快，因此，濃度越高微波的傳遞時(shí)間就越短，而這種關(guān)系是線性的，使得可以直接通過微波濃度變送器測(cè)出紙機(jī)漿池后漿料的總濃度，作為紙機(jī)上網(wǎng)的濃度。此處選擇BTG公司的微波濃度變送器TCS-2531來測(cè)量其總濃度。與刀式和旋轉(zhuǎn)式濃度變送器不同的是，微波式濃度變送器對(duì)測(cè)量直管段無特殊要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合一個(gè)工程實(shí)例，分析了制漿造紙生產(chǎn)過程關(guān)鍵點(diǎn)的濃度測(cè)量工況，選取了合適的濃度測(cè)量變送器，為制漿造紙儀表選型和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。