卡伯值分析仪在浆线中的应用和维护

黄光明

（中国轻工业长沙工程有限公司，湖南长沙，410004）

卡伯值分析仪通过采用全新的设计理念和具有可靠性、及时性、精确性的特点，保证了对整个制浆生产线的有效控制。卡伯值分析仪在蒸煮器上的应用满足了绝大多数卡伯值的测量需求，比如对高得率制浆连续蒸煮中点，间歇和连续喷放等处的测量。氧脱木素段漂前及氧和过氧化氢强化的碱抽提（EOP）段的在线卡伯值测量已成为当今企业的标准测量参数。在现代化浆厂中白度的测量也越来越普遍。通过卡伯值分析仪的白度控制和浆料质量控制的解决方案，成功实现了浆线的漂白控制。本文通过对卡伯值分析仪的工作原理、基本组成和日常维护及保养的介绍，为制浆生产线的仪表人员提供参考和借鉴。

1 卡伯值分析仪在制浆生产线的应用

化学漂白木浆厂要维持生产线的高效运行并保持浆的品质，使卡伯值和白度值维持在一定的范围内，在生产过程质量管理中没有在线分析仪的控制是非常困难的。卡伯值分析仪对于化学木浆厂来说是一个全新、超前的在线测量浆料木素和白度的产品，主要应用于蒸煮、氧脱木素和漂白工段卡伯值的测量及工艺过程控制，纤维各种参数以及纤维束含量的检测和分析。本文以某100万t化学漂白木浆厂卡伯值分析仪的应用为例进行介绍。

1.1 卡伯值分析仪安装测点位置分析

某化学漂白木浆厂共有6个卡伯值取样测点和4个白度取样测点。6个卡伯值取样测点分别安装在喷放线出口中段、氧脱木素前段、氧脱木素后段、热二氧化氯漂白（DO）前段、DO后段及氧强化的碱抽提（EO）段，4个白度取样点位置分别为DO段、EO段、D1段、D2段。卡伯值分析仪是一种分散取样、集中检测的装置，所以取样阀安装位置离卡伯值分析仪位置较远、取样管线较长，容易出现取样管堵塞情况，因此各点取样阀安装位置极为重要，需要安装在浆料稳定、极易反应参数变化的位置，另外工艺条件的选择、取样阀的选用尤其重要，如取样阀（SD-501）主要用于筛选工段，浆浓为5%～15%、含杂质很少的浆料（EO段）；取样阀（SD-502）主要用于未经筛选工段，浆浓为0.5%～15%、含杂质的粗浆（喷放线）；取样阀（SD-505）主要用于漂白工段，浆浓为0.5%～15%、含有氯离子介质的浆料（D1、D2段），具体测量位置示意图如图1所示。

1.2 卡伯值分析仪在浆线中的应用

卡伯值分析仪在浆线中的应用可以提高纸浆白度值，降低化学品用量，使100万t制浆生产线D1段纸浆白度常年保持在83%，D2段纸浆白度常年保持在87%左右，且二氧化氯（ClO2）用量稳定。

1.3 卡伯值分析仪在不同工艺的安装形式

卡伯值分析仪在不同工艺中有不同的安装形式，化学漂白木浆工艺主要有无元素氯（ECF）和全无氯（TCF），卡伯值分析仪取样阀在两种工艺中安装位置分别为：在ECF漂白中卡伯值分析仪安装位置为喷放线、氧脱木素（O2）前、氧脱木素（O2）后、DO前；但在TCF漂白中卡伯值分析仪主要安装在喷放线、氧脱木素（O2）前、氧脱木素（O2）后和DO后。

1.4 传统实验室卡伯值测量与在线卡伯值分析仪测量

1.4.1 传统实验室卡伯值测量

浆料残留木素的含量可以采用酸溶木素与酸不溶木素含量表征，即木素含量的测定方法。但该方法测量时间较长，相对较复杂，因此普遍采用的是高锰酸钾氧化法测定浆料的卡伯值，该数值的大小反映出经蒸煮后残留在浆料中木素含量的多少以及其他还原性物质的相对含量，从而对蒸煮工艺的控制以及为浆料漂白工艺的制定提供依据。浆料的卡伯值是指一定量的浆料在特定的酸性条件下，与一定量的高锰酸钾反应一定时间，得到的值换算成相当于消耗50%高锰酸钾量。浆料卡伯值计算见式（1）。

式中，K为浆料的卡伯值；p为浆料消耗0.02 mol/L高锰酸钾溶液的量，mL；M为浆料的绝干质量，g；f为相当于50%高锰酸钾消耗量的修正值。

由于一般实验室测量卡伯值耗时过长，工作量大，需要大量的化验人员，且化验人员熟练程度不一样，导致检测的结果误差大，检测时间长，浆线品质控制效果差，不能满足生产要求。

1.4.2 在线卡伯值分析仪测量

在线卡伯值分析仪采用光学原理进行测量，样品经过测量仪时氙光源对浆料进行照射，然后以不同波长的光散射强度得出卡伯值，测量时间快，误差小，能满足工艺要求，因此大部分浆厂都采用在线卡伯值分析仪进行测量。

2 卡伯值分析仪基本组成

卡伯值分析仪主要由现场取样阀、冲洗单元、测量单元以及收集单元组成，如图2所示。工作原理是现场取样阀将取到的浆料通过输送管送到卡伯值分析仪洗涤单元，再通过测量单元对样品进行分析从而得出实验结果。

（1）现场取样阀：主要由两种取样阀组成，型号分别为SD-502和SD-505，都属于直通型取样阀，其中SD-502主要用于未筛浆料和浓度低于6%的浆料，其材质为不锈钢SS316L；SD-505主要用于含有氯元素的未筛浆料，其材质为钛合金。两种取样阀都可以使用在浆浓为0.5%～15%的工艺中。

图2 卡伯值分析仪基本组成

（2）冲洗单元：主要是对取样阀从管道收集的浆料进行洗涤，使浆中含有的杂质分离，并使浆料的浓度稀释到一定值，达到分析仪测量浆料的卡伯或白度值要求。

（3）测量单元：主要由卡伯传感器、白度传感器、浓度传感器、液位传感器、各种模块、电源转换器和中央处理器（CPU）等组成。

3 卡伯值分析仪的工作原理及测量步骤

3.1 卡伯值分析仪参数

卡伯值分析仪水的规格：①未净化的热水，水温要求为50～60℃，允许误差为绝对值2.5℃，水的压力0.3～0.6 MPa，卡伯值分析仪输送水管管径为20 mm。②化学净化的冷水,水压要求为0.5～0.8 MPa，水温大于2℃。③去离子水：电导率（Conductivity）＜0.3 mS/m，pH值6～8，SiO2＜0.02 mg/L，T=18～50℃，水压0.5～0.8 MPa，安装所用水管管径为20 mm。

卡伯值分析仪要求提供的气压为0.4～0.6 MPa，安装所用的气源管管径为15 mm，卡伯值分析仪工作循环泵所用电压为400 VAC/50 Hz，电源转换器电压为220 V，操作电压（Operating voltages）90～132/175～264 VAC，3.44～440 Hz，350 VA；冲洗单元（washing unit）模块所用电压分别为5、15、24 V。卡伯值分析仪供水系统和冷却水系统图见图3。

3.2 卡伯值分析仪工作流程和步骤

卡伯值分析仪执行检测指令后，先进行冲洗操作，去离子水对整个测量系统进行冲洗以满足卡伯值的测量要求；对于单筒测量的卡伯值分析仪开始取样和浆料输送，浆料检测周期受所检测浆料种类、冲洗次数和取样点到分析仪距离的影响；浆料通过管线输送到卡伯值分析仪的预筛选装置，用于除去浆料中的大块浆团和木节；初筛后的浆料进入冲洗室，在冲洗室内的浆料量由液位传感器控制，达到设定液位后，自动关闭进浆料控制阀，多余的浆料通过排污口排除；然后浆料在冲洗室进行筛选、清洗，用于除去浆料残留的药液以满足卡伯值和白度值测量要求；然后卡伯值分析仪正式进行测量，测量步骤依次是取样、输送、预筛选、筛选，用热水对浆料进行清洗，用冷水冲洗浆料、混合浆料、扫描测量、阔叶木（HW）/针叶木（SW）测量、分析仪清洗和水阀测量结束。

（1）取样

卡伯值分析仪给取样阀一个25 V直流电压的D0信号，该信号要与测量水压的压力开关形成一个串联回路，只有当水压大于0.3 MPa时，取样阀才能进行动作取到浆料，然后通过输送水将其送到卡伯值分析仪进行分析。

图3 卡伯值分析仪的供水系统和冷却水系统图

（2）预先筛分和冲洗

预先筛分目的是通过输送热水对管道取回来的浆料进行清洗，把杂质和未煮好木片分离得到纯净的浆料。冲洗是在卡伯值分析仪混合桶里面，加一定的压力将浆料充分冲洗干净，在整个冲洗过程中，测量回路是一直加压的，压力在0.25 MPa左右。

（3）热水冲洗样品

冲洗过程中水的温度对分析仪测量值存在很大的影响，结果见图4。

图4 水温对卡伯值分析仪的测量影响

（4）样品充分混合和参数测量

该步骤将对浆料的浓度进行充分的调节，见图5。

（5）浓度调节过程

允许最低浓度为正常浆料浓度的0.9倍（0.9CS），如果初始浓度低于这个值，就会出现浓度低极限（CS LOW LIMIT）报警；如果初始浓度稍高一点，浓度开始调节，直到达到允许浓度；如果浓度过高，浆料不能调节到允许浓度，则会出现允许浓度错误信号（CONSISTENCY 1 ERROR），当浆浓达到允许浓度时，整个回路开始加压测量,浆料在加压的回路中被水稀释，如果浆浓未达到测量最低允许浓度则会出现最低浓度错误信号（CONSISTENCY 2ERROR），浓度调节是用来计算浆料卡伯值参数的，阔叶木（HW）/针叶木（SW）的比率通过CPU处理浓度传感器的输出信号得到，然后利用获得值，正确地选择相应等级的浆，适用相应的缩放比例。阔叶木（HW）/针叶木（SW）值、卡伯值参数、白度参数结合起来计算的结果判断浆料是阔叶木（HW）或者是针叶木（SW），同时用来决定选择相应计算公式。卡伯值分析仪的CPU将4种不同木质比例计算公式储存起来用于计算不同种类的浆料。

3.3 卡伯值测量

卡伯值分析仪采用光学原理进行测量，浆料经过测量仪时氙光源对浆料进行照射，然后以不同波长的光散射强度得出卡伯值。白度测量：白度分析仪采用光学原理进行测量，浆料经过测量仪时氙光源对浆料的反射和散射性来测量，从而得出白度值，具体原理见图6。

3.4 测量计算法则

图5 浆浓的调节步骤

图6 卡伯值分析仪光学原理图

卡伯值分析仪连续进行测量然后通过CPU计算，收集所有传感器的连续测量值，但每个传感器只有一个值被选择，通过计算得出最终的卡伯值或者白度值，每组通过计算公式得出的测量值，再根据卡伯值范围和木素的种类来选择相应计算公式，从而得出卡伯值或白度的测量值。

3.5 浆料等级的变差系数（CV）的测量

CV值是测量长短纤维的一个重要指标，对应具体趋势图见图7。浆料等级的变差系数极限值为1，当测量结果大于1时判断为阔叶木浆，当测量结果小于1时判断为针叶木浆。

4 卡伯值分析仪的维修和保养

4.1 卡伯值分析仪的日常维护和保养

制定卡伯值分析仪每周、每月巡点表，确定卡伯值分析仪每周至少进行1次例行检查，检查内容主要为：①通信状况检查，目视检查卡伯值分析仪的状况，通信是否正常；②检查卡伯值分析仪水、空气及取样管线是否泄漏；③确保进行电子装置的净化空气恒定（（0.035±0.01）标准立方英尺/min）；④确保进气压力为0.45 MPa；⑤目视检查测量筒的金属网，是否有破损；⑥检查各电磁阀动作是否正常；⑦清洁泵的止回阀，确保泵运行正常；⑧从手操器中读出各种参数并记录下来，检查卡伯值分析仪亮度测量单元参数是否有异常；⑨在手操器中读出各类参数是否正常，如果异常，检查异常原因并处理；⑩检查化学试剂是否足量。

图7 CV测量值对应的长短纤维趋势图

4.2 卡伯值分析仪压力、温度开关检查和处理

（1）空气压力开关报警检查：①需要进行压力校正；②需要检查仪表气源是否正常；③检查空气过滤器是否过脏，并清洁。

（2）冷水开关报警检查：①需要进行冷水开关校正；②检查冷水入口压力是否过低；③检查水过滤器是否过脏并清洁。

（3）温水开关报警检查：①需要进行温水开关校正；②检查温水入口压力是否过低；③检查水过滤器是否过脏并清洁。

4.3 卡伯值分析仪重要参数报警检查和处理

4.3.1 水参数低极限值（Water value low limit）

故障原因为卡伯值测量单元脏，如果测量单元不干净，卡伯值分析仪可能测定的卡伯值结果高于实际值。因此确保清洁化学品桶中有适量的化学品。缩短两次清洗之间的时间，通过设置较小的“化学清洗”值，也可以设定一个更长的开放时间SV15阀，并更改清洗顺序等方式确保测量单元清洗干净。

4.3.2 浓度低报警极限值（Consistency low limit）

引起浓度故障的原因：①上部与下部金属筛网检查筛网是否堵塞；②测量桶上部水管喷嘴以及气源喷嘴是否清洁或者堵塞；③样品输送水的压力是否正常；④工艺原因本身浆浓是否太低；⑤取样线是否堵塞；⑥取样阀是否工作；⑦HW/SW比例是否改变。

4.3.3 浓度报警1&2（Consistency error 1&2）

引起浓度报警的原因：①测量回路是否堵塞；②循环泵是否工作；③浓度传感器是否堵塞或者浓度太高；④确保冷水压力是否在0.35 MPa左右,如果太低会引起浓度报警；⑤检查底部筛网是否堵塞。

4.3.4 初始容积报警（Initial volume error）

产生此现象的原因主要是进入浆料浓度太低，无法完成自动检测，在测量回路或者取样管线有堵塞，造成测量单元的浓度太低；需要检查取样参数设置是否正确，取样时间设置是否合理，取样管线压力是否足够，取样器压力开关是否正常工作，工艺管道内浆料是否异常导致样品无法取出，检查浓度传感器（LC100）工作是否正常，是否出现堵塞情况等。

4.4 卡伯值分析仪电子元件故障检查和处理

（1）当探测器信号小于0.025 V或者大于4.9 V则会引起测量单元无法工作。

（2）对浓度传感器（LC100）和各电路板进行检查。

5 结语

本文通过对卡伯值分析仪的基本结构和工作原理深入了解，熟悉掌握卡伯值分析仪的工作性能和维修技能，在日常维护过程中对卡伯值分析仪的巡点维护，从而降低卡伯值分析仪的故障率，使其长期稳定运行。卡伯值分析仪在浆线中的应用使浆料的白度值控制在87%以上，对提高浆线的品质有很大的作用，可以大大提高生产效益；并通过对卡伯值分析仪的工作原理和维护技能的介绍，为制浆生产线的仪表技术人员提供参考和借鉴。