单点卡伯值分析仪SPK-5500在化学浆线的应用实践

徐 峰 苏雄波 Akhlesh Mathur 孙洪勇

(1.山东太阳纸业股份有限公司,山东兖州,272100;2.BTG仪表广州办事处,广东广州,510620;3.BTG仪表新加坡办事处,新加坡)



·卡伯值分析仪·

单点卡伯值分析仪SPK-5500在化学浆线的应用实践

徐 峰1苏雄波2,*Akhlesh Mathur3孙洪勇2

介绍了单点卡伯值分析仪SPK-5500在化学法制浆线的应用实践,包含SPK-5500的安装准备、现场安装、调试开机、标定优化和结果分析。对SPK-5500与工厂现有的多点式卡伯值分析柜的测量周期和结果相关性的比较,结果表明SPK-5500可改善工艺控制、提高运行稳定性和经济效益。

在线单点卡伯分析仪；SPK-5500；卡伯值测量

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

1 卡伯测量技术和单点卡伯值分析仪

纸浆的硬度表示原料经蒸煮后所得纸浆中残留木素和其他还原性有机物的含量,它相对地表示原料在蒸煮过程中去除木素的程度,即所谓蒸解度[1]。因此,硬度大的纸浆其蒸解度低。测定硬度时,由于所用氧化剂和测定条件的不同,有多种硬度表示方法,最常用的是利用高锰酸钾来测定高锰酸钾值(简称K值)以及贝克曼价、卡伯值(Kappa)。

1.1 实验室卡伯值测量方法

实验室测量的卡伯值表征纤维上残余木素的含量(纤维卡伯值)。按照TAPPI和SCAN标准的约定,实验室测量的卡伯值定义为1 g绝干浆料消耗0.02 mol/L的高锰酸钾溶液的体积(毫升计)。测试的结果再以50%的高锰酸钾消耗量进行折算。

1.2 传统多点式卡伯值分析柜

一般制浆厂通过实验室卡伯值测量方法来控制蒸煮过程。但由于实验室测量卡伯值耗时长,且受化验人员和化验工作量的影响,不能满足工艺控制的要求。因此实验室卡伯值测量只能用作后续的流程分析以及很有限的慢调型的前馈控制。以上不足导致了制浆工艺控制差、流程效率低、纸浆质量差及生产成本高等问题。而且实验室测量是人为操作,主观误差的引入会加重测量结果的波动。

鉴于制浆造纸行业对自动卡伯值测量的需求,20世纪80年代BTG公司率先推出了第一套多点式卡伯值分析柜KNA-5000。后续业内逐渐在KNA系列的技术基础上推出了类似的多点式卡伯值分析柜。多点式卡伯值分析柜工作时,各取样阀依次从流程管道中采取浆样并通过取样阀和传送管道送到分析柜进行测量,传送管道中利用工艺水作为驱动动力。在分析柜中,和实验法步骤一样,浆料被充分的筛选和洗涤净化。多点式卡伯值分析柜的工作原理是利用木素在制浆过程中是唯一能吸收紫外光的物质。紫外光的吸收量通过标定后作为卡伯值输出[2]。传统多点式卡伯值分析柜测量系统架构见图1。为了满足制浆厂不断变化和增长的要求,多点式卡伯值分析柜变得越来越复杂。随着制浆工艺的发展,20世纪90年代出现了氧脱木素和二氧化氯漂白等工艺,卡伯值分析仪只作为单一卡伯值测量的功能发生了改变。一柜带多点以及在原本只测卡伯值的基础上增加了白度和残余物测量,一柜多点也导致了许多实际问题的出现[3],如测量速度过慢,测量结果更新周期≥40 min；故障率高,主要表现在样品管道堵塞、用水量大和保养维护要求高等问题。当然,多点式卡伯值分析柜对项目资金投入的占用也较大,如本色制浆或者升级改造中不能满足项目预算和测量点数灵活性高的要求。

图1 传统多点式卡伯值分析柜测量系统架构

1.3 单点卡伯值分析仪

总结上述问题,BTG公司在数年前便已停止了对多点式卡伯值分析柜的继续研发,经过不断探索开发了单点卡伯值分析仪。3种不同的在线单点卡伯值分析仪分别测量浆料中不同状态下存在的木素含量,即SPK-5500测量纤维木素,DLT-5500测量溶解木素,BLT-5500测量总木素并同时输出浆料白度值[4- 6]。3种单点卡伯值分析仪见图2。

图2 3种单点卡伯值分析仪

单点卡伯值分析仪(single point Kappa analyzer)SPK-5500是对传统多点式卡伯值分析柜的模块化、集成化(见图3)。它将取样与分析集成于一体,解决了传统多点式卡伯值分析柜测量周期长、取样易堵塞等问题。独特的结构和功能设计带来无故障工作和稳定的性能,使得SPK-5500成为现代化大型浆厂未漂工段和中小型浆厂在蒸煮工段进行升级改造的首选方案。 本文以SPK-5500在国内山东某大型造纸企业化学浆生产线的使用实践为背景,介绍SPK-5500的功能结构并对其改善制浆工艺和提高经济效益的作用进行分析。

图3 单点卡伯值分析仪SPK-5500

SPK-5500继承了KNA系列多点式卡伯值分析柜相同的测量原理,但采取的是单点测量模式并可以直接安装到需要测量卡伯值的管道位置上。

2 SPK-5500的现场安装、调试和开机

2.1 SPK-5500在喷放管现场安装

蒸煮是化学法制浆工艺的起点,良好的蒸煮对平衡、稳定下游工段和浆料品质的控制非常关键。卡伯值作为衡量蒸煮工艺的一个重要指标,因此卡伯值的快速准确、可靠测量至关重要,对于现代化的制浆生产来说实验室测量卡伯值已经远远不能满足生产调节和自动控制的需求。在蒸煮喷放锅出口,由于浆料中所含粗浆和渣浆较多,且还含有节子、木片等未蒸解杂物,多点式卡伯值分析柜在该位置处面临频繁的取样、管道堵塞等操作问题,此外长达40 min的测量周期也不能满足自动控制的要求。

现场浆线最初设计为生产化学浆,后经改造可切换生产化学浆和溶解浆。生产溶解浆时预水解处理后再经蒸煮的浆料中黑液成分特殊及含量高导致了卡伯值测量难度加大。SPK-5500被选择安装在最具难度的位置——蒸煮喷放锅出口,来提高和改善该位置处的卡伯值测量,提高蒸煮工艺的可控性。SPK-5500安装位置示意图如图4所示。

图4 SPK-5500安装位置示意图

SPK-5500采用现场开口焊接的方式进行安装连接,与现场管道连接处采用和管径相配合的半瓦片作为连接加强并配以辅助支撑,以抵抗管道震动。该操作安装简单,现场安装仅需3 h。

2.2 SPK-5500开机和标定

与实验室测定步骤一致,SPK-5500在进行卡伯值测量时也按浆料取样、粗筛和洗涤的工序,最后合格的纤维被输送到光学测量筒中利用UV-紫外光对木素含量即卡伯值进行测量。SPK-5500工作时依次完成上述步骤。

取样： SPK-5500利用活塞推动取样活塞进入管道中取得浆样。由于主动取样的活塞设计使得SPK-5500对流程和安装位置的适用性强。

筛选：SPK-5500的上腔为筛选腔,根据浆料和流程特点的特定筛板对浆料进行筛选,把对测量结果影响大的节子和大块杂物筛除。

洗涤：利用特殊角度加入的水和压缩空气对浆料进行充分的搅拌和洗涤,尽可能地降低溶解木素和细小纤维对测量结果的影响。

测量：不在洗涤腔中洗涤完成的合格纤维不断的稀释测量,纤维穿过光学测量元件并根据木素对UV-紫外光的选择性吸收来测量纤维上残留木素的含量,经标定得到卡伯值。

通过实验室与现场SPK-5500的同步取样操作和样品测量,SPK-5500进行了初步标定,在样品数据有限的情况下得到了较为理想的标定取样,第一次初步标定结果得到的数据相关性R2>0.82。SPK-5500初步标定曲线见图5。

图5 SPK-5500卡伯值初步标定曲线

制浆现场现有1台多点式卡伯值分析柜,SPK-5500在初步标定后的测量结果与该多点式卡伯值分析柜的输出同样表现出了良好的一致性。

需要说明的是该制浆线上原有的多点式卡伯值分析柜负责多点测量，但后续因为对测量速度及维护量的考虑,其他测量点被取消仅保留了蒸煮喷放线的卡伯值测量点,使得多点式卡伯值分析柜与单点卡伯值分析仪SPK-5500(约4～6 min/次)在测量频率上相接近。

3 SPK-5500测量性能分析与对比

单点卡伯值分析仪SPK-5500继承和发展了多点式卡伯值分析柜KNA系列和市面其他卡伯值分析柜的技术，测量原理上继承了紫外光定性测量木素含量的方法,但在灯泡上采用了LED灯泡替换热稳定性差的卤素灯泡。 与多点式卡伯值分析柜相比,在测量性能上,SPK-5500具有测量频率高、准确性高的优点。

3.1 SPK-5500测量速度对比

SPK-5500采用了在线测量的方式,通过集成设计的方式将浆料取样、筛选、洗涤和测量都在现场传感器单元内完成,相对多点式卡伯值分析柜节约了样品输送以及输送管道冲洗等准备步骤所需的时间。而且SPK-5500的单点设计,保证了每个点的测量速度最快、周期最短,普遍的运行结果证明测量周期为4～6 min/次。SPK-5500测量周期统计见图6。

图6 SPK-5500测量周期统计

多点卡伯值分析柜测量点数≥4时,测量周期明显增加,长达40 min/次。

图7为SPK-5500与多点式卡伯值分析柜测量周期对比。1台多点式卡伯值分析柜配4个测量点的情况下测量间隔为40 min,而SPK-5500采用一对一测量方式，其测量间隔为4～6 min。SPK-5500在测量周期上比多点式卡伯值分析柜明显更短。

图7 SPK-5500与多点式卡伯值分析柜测量周期对比

3.2 SPK-5500测量准确性对比

在该实践中,将单点卡伯值分析仪SPK-5500、其他厂家的多点式卡伯值分析柜和实验室对喷放线的卡伯值测量结果进行了跟踪和对比。对比周期时长为SPK-5500第一次标定完成后1个月,以实验室测量数据为基础分别进行了如下的相关性分析。

根据上述数据分析结果,SPK-5500在完成第一次初步标定的条件下,与实验室结果的相关性达到了0.8013,完全达到了流程分析仪表所需要的精确度,图8为 SPK-5500与室验室数据相关性分析。而且期间因为工艺调节等操作变化,出现了阶段性的标定范围之外的卡伯值运行情况,这也在一定程度上影响了测量的精确度。而现场多点式卡伯值分析柜,测量结果与实验室结果的相关性较低,仅为0.6318。

图8 SPK-5500与实验室数据相关性分析

4 SPK-5500对流程优化的帮助和经济效益的分析

卡伯值作为化学法制浆的一个最重要的参数,是整个制浆过程中木素去除和漂白效果的一个重要指标。在蒸煮工段,出口卡伯值体现了蒸煮进行的情况。 出口卡伯值过高,表示木片处于欠蒸煮状态；出口卡伯值过低,表示木片已经蒸煮过度。高的出口卡伯值可以带来相对高的蒸煮得率,却导致了后续筛选困难、洗涤效率低以及氧脱和漂白化学品消耗高的问题；较低的出口卡伯值表示蒸煮得率低，带来直接的经济效益下降,但对后续氧脱和漂白化学品消耗减少[7]。由此可见,蒸煮卡伯值是一个动态的稳定值,取决于工艺状况和生产要求。因此,对蒸煮出口卡伯值的快速、准确测量变得尤为重要[8]。

图9为某浆厂SPK-5500运行前后蒸煮卡伯值变化情况及优化结果。由图10可知,红线为只通过多点式卡伯值分析柜测量蒸煮卡伯值,并以此作为调节蒸煮参数得到的蒸煮卡伯值曲线,测量周期长、结果波动大。黑线是安装SPK-5500后并根据SPK-5500的测量结果调节蒸煮参数,测量周期短、结果波动小。相比多点式卡伯值分析柜40 min/次的测量周期,SPK-5500的快速准确测量可以让DCS系统和操作员更早地发现蒸煮卡伯值的变化情况和趋势,进而提前做出判断和采取相应的调节手段来稳定卡伯值,减少工艺波动。

通过基于SPK-5500的蒸煮卡伯值控制,该浆厂实现了卡伯值波动减少了2个单位,并以此逐步提高蒸煮卡伯值的设定目标值,实现了蒸煮目标卡伯值提高2个单位的设想。蒸煮目标卡伯值的提高,带来的直接效果就是蒸煮得率增加。根据初步统计和估算,该浆厂的蒸煮得率提高了约0.7%。按照30万t/a产量计算,蒸煮得率提高0.7%所带来的木片原料成本节约每年达700万元，这样SPK-5500的投资回报周期可缩短到不足两个月。

图9 基于SPK-5500的蒸煮目标卡伯值优化结果

5 总 结

通过对单点卡伯值分析仪SPK-5500现场实践和测量结果的分析,说明该仪表在功能设计上很好地集成和改进了传统多点式卡伯值分析柜的原理和不足,通过模块化和集成化的设计将单点卡伯值分析仪的取样、筛选、洗涤和测量集成一体。在线的测量方式避免了样品输送过程中容易发生的堵塞情况,大大降低了仪表的故障率。单点仪表的设计,实现了仪表独立完整测量一个点的过程,避免了多点式卡伯值仪分析柜一旦出现故障而导致的全面测量停机的风险。单点设计,在中小型浆厂以及项目改造中,可以逐点增加,降低了投资负担。

单点卡伯值分析仪测量频率高,4～6 min完成1次测量,满足了现代化自动生产的要求,为浆厂的自动化升级提供了测量保障。根据SPK-5500对蒸煮、氧脱木素等关键工段的控制,可以减少卡伯值波动,稳定和优化目标卡伯值,改善经济效益。

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(责任编辑：董凤霞)

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，工程师；主要从事制浆碱回收DCS系统及现场仪表的安装、调试和维护工作。

(1.山东太阳纸业股份有限公司,山东兖州,272100;2.BTG仪表广州办事处,广东广州,510620;3.BTG仪表新加坡办事处,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：苏雄波先生，E-mail:xiongbo.su@btg.com。