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浓度测量仪表在制浆造纸中的应用

  • 史晓霞
中国中轻国际工程有限公司,北京,100026

中图分类号: TS736+.2

最近更新:2023-10-23

DOI:10.11980/j.issn.0254-508X.2023.10.021

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摘要

本文介绍了制浆造纸过程中,纸浆浓度及黑液、绿液浓度等测量仪表的特点、应用场景、安装要求及注意事项。

碱法制浆,从备料车间筛选出合格木片送至蒸煮工段,用白液(NaOH、Na2S)蒸煮脱除纸浆中的木质素,保留纤维素和部分半纤维素,经过洗、选、漂等工段,最后制成纸浆。蒸煮产生的黑液(质量分数15%左右)送到蒸发工段,增浓至碱炉燃烧要求的固形物浓度(质量分数80%),在碱炉中燃烧有机物,产生以Na2CO3和Na2S为主要成分的无机熔融物——绿液;将绿液送至苛化工段,与Ca(OH)2反应生成含NaOH的白液,作为蒸煮补充碱液循环利用。在制浆和碱液回收利用过程中,浓度测量贯穿始终。

目前纸浆在线浓度测量方法主要分为剪切力法、光学法及微波法等。黑液和绿液浓度测量法主要采用折光仪和放射源2种。

1 纸浆浓度测量技术

纸浆浓度是指一定质量(或一定体积)的纤维悬浮液中,绝干纤维的百分含[

1]。在线纸浆浓度计被广泛应用于制浆造纸的各个工段,如蒸煮、洗选漂、打浆、配浆、流送等。

根据纤维变形剪切力与浆液浓度之间非线性函数关系,可实现浆液浓度在线测量,主要分为:静刀式、动刀式、旋转式3[

2]。另外还有光学测量法、微波测量法在线纸浆浓度[3]

1.1 静刀式纸浆浓度计

静刀式纸浆浓度计(以下简称静刀式浓度计)检测原理(见图1):纸浆经过刀片两侧时,因其具有黏性会产生剪切力,在纸浆流速、压力、温度、打浆度等基本参数一定的情况下,纸浆浓度与剪切力呈相应函数关[

4]

图1  静刀式浓度计测量原理

Fig. 1  Measurement principle of static-blade type consistency transmitter

由于纸浆浓度测量结果受纤维类型、流速、温度影响较大,静刀式浓度计通过各种刀型的传感器,来满足不同浆种浓度的在线测[

4],以实现测量的高重复性,保证最佳测量结果。通过标定的方式,可使刀式浓度计在同一管道上测量不同浆种的浓度。不同的刀型对应一个流速范围和浓度范围,在这个范围内,流速变化对测量精度的影响将降至最低。

静刀式浓度计具有成本低、无移动部件、维护简单等特[

2],测量浓度范围0.7%~16%,在很多工况条件下得到广泛的应用。

1.2 动刀式纸浆浓度计

动刀式纸浆浓度计(以下简称动刀式浓度计)同样采用剪切力原理来测量浓度。测量时传感元件是主动的,操作时可前后移动,利用其自身的力量剪切纤维悬浮物。纸浆浓度越高,测量的行程时间就越长。通过一段时间的行程时间计算出平均时间值,变送器将平均时间值转换成纸浆浓度信号。

动刀式浓度计传感器(见图2)的整个前缘均受导流装置的保护,对流量变化不敏感,对纸浆中碎屑有高抵抗力,对浓度有最大灵敏度。动刀式浓度计可测0.1~5 m/s纸浆流速,浓度检测范围1.5%~8%[

4],测量重复性在±0.01%,测量灵敏度0.01%。在很多工况条件下得到广泛应用,其性能优于静刀式纸浆浓度计。

图2  动刀式浓度计测量原理

Fig. 2  Measurement principle of moving blade type consistency transmitter

1.3 旋转式纸浆浓度计

旋转式纸浆浓度计(以下简称旋转式浓度计)是根据剪切力测量,使用力平衡原理。同步电动马达的皮带驱动同心对齐的内测量轴和外驱动轴(见图3),内测量轴不受外驱动轴影响。纸浆悬浮物的剪切力作用在测量轴和测量刀片上,使测量轴相对于驱动轴的速度减慢。测量轴和驱动轴之间产生相对角位移,在变送器中转换成纸浆浓度信号。

图3  旋转式浓度计测量原理

Fig. 3  Measurement principle of rotating type consistency transmitter

旋转式浓度计可用于几乎所有类型的浓度测量,可测0.5~5 m/s纸浆流速,浓度检测范围1%~16%,测量重复性在±0.002%,测量灵敏度0.005%。

旋转式浓度计重复性精度高于刀式浓度计,但价格也远高于刀式浓度计,主要用于配浆系统、纸机上浆系统等要求控制精度高的重要工段。

1.4 光学测量法在线纸浆浓度计

光学测量法在线纸浆浓度计(以下简称光学浓度计)(见图4)主要用于测量浆料悬浮物的总浓度,包括纤维的浓度、各种填料的浓度等。光学浓度计用于1.3~5 m/s纸浆流速,浓度检测范围0.1%~16%,测量重复性在±0.002%,测量灵敏度0.001%。

图4  光学浓度计测量原理

Fig. 4  Measurement principle of optical consistency transmitter

光学浓度计主要应用于低浓测量、总浓度测量以及浆液中有铁丝、塑料绳等含杂质条件极差的工作场景,如用于纤维含量偏低的白水回收系统,及废纸浆处理系统和碎浆泵出口浆液浓度的测量。由于光学传感器不需要深入管道,可以避免缠绕问题发生,不像其他剪切力原理的浓度计,由于杂质的存在,会缠绕在刀式浓度计、旋转式浓度计的刀片上,导致无法正常使[

3]

1.5 微波测量法在线纸浆浓度计

微波测量法在线纸浆浓度计(以下简称微波浓度计),其测量浓度的原理是:微波在浆料中传递,浆料浓度越高,微波传递时间越短。基于这种线性关系,通过测量传递时间可计算浆料的浓度。

微波浓度计的测量结果不受纤维类型、长度、成分、颜色、流速、打浆度等影响,微波浓度计本身无机械运动部件,维护量[

4],调试和运行费用较低,但浆液中不能含气泡,否则气泡会引起测量误差。

微波浓度计主要用于测量高浓度纸浆和总浓度测量,如浆浓16%以上纸浆的浓度测量,其价格最高,微波浓度计的重复性和精度高于光学浓度计。

1.6 在线纸浆浓度测量技术总结

在线纸浆浓度计各有优缺点,对其测量原理、特点及应用场景总结见表1

表1  在线纸浆浓度计优缺点及应用场景
Table 1  Advantages/disadvantages and application scenarios of measuring instruments for pulp consistence
测量仪表测量原理浓度范围/%优点缺点应用场景
静刀式浓度计 剪切力法 0.7~16 成本低,无移动部件,维护简单 受纤维类型、流速、温度影响较大 多种工况条件下
动刀式浓度计 剪切力法 1.5~8 对流量变化不敏感,对纸浆中碎屑有高抵抗力 重复性和灵敏度较低 多种工况条件下
旋转式浓度计 剪切力法 1~16

适应环境性强、维护量小

重复性和灵敏度高

杂质缠绕损坏刀片

价格高于刀式

配浆系统、纸机上浆系统等要求精确控制的重要工段
光学浓度计 光强衰减 0.1~16

不需要深入管道,避免缠绕

重复性和灵敏度高

价格较高 低浓测量、总浓度测量、浆料成分中有铁丝、塑料绳等工作条件极差的场景
微波浓度计 微波传播时间 16以上 无机械运动部件,不需要经常维护 价格昂贵 高浓度纸浆、总浓度测量

2 黑液、绿液浓度测量技术

黑液、绿液浓度大多采用在线折光仪、放射源测量系统进行测量。对低浓度场合,有时也采用质量流量计,以测量密度的方法,间接计算出介质的浓度,在此不多叙述。

2.1 在线折光仪

在线折光仪基于稳定的光信号透过被测介质,可根据不同浓度的介质产生相对应的折射率,测量被测介质的浓度。

在线折光仪由传感器、变送器、隔离阀、蒸汽清洗部件等组成。绿液、黑液容易结晶,需要经常用高压水或中压蒸汽冲洗。在线折光仪拆卸时一定要先关上隔离阀,避免黑液喷出,损伤操作人员。

在线折光仪变送器能独立双通道输入,可分别连接和管理2个传感器,输出2路4~20 mA信号。

2.2 放射源测量系统

放射源测量系统测密度原理:管道中的介质吸收辐射射线,介质密度越大,介质吸收的辐射射线就越多。放射源测量系统由放射源、接收器、变送器(微处理单元)等组成,放射源测量系统安装在容器设备或管道外壁,是非接触测量仪表,适用于检测侵蚀性或高黏度液体的密度,放射源测量系统安装期间无需工艺装置停车。

使用射线的方法测量密度具有测量精度高、反应速度快等优点,由于和介质无接触,无冲洗需求。但操作人员对放射源标识有恐惧心理,需要对使用人员采取避免射线辐射的保护措施,另外,射线测量装置使用一段时间后,还存在放射源处理的问题。采用放射源测量系统测浓度,价格比在线折光仪低,在某些场合也经常采用。

2.3 黑液、绿液浓度测量技术总结

用于黑液、绿液浓度测量的在线折光仪和放射源测量系统具体优缺点汇总见表2

表2  在线折光仪和放射源测量系统优缺点
Table 2  Advantages/disadvantages of on-line refractometer and radioactive source meter measuring system
测量仪表测量原理优点缺点
在线折光仪 光的折射率 使用安全、可靠 接触介质需要经常冲洗,价格较高
放射源测量系统 射线辐射 非接触测量,在线安装 需相关措施避免射线辐射,需处理放射源

2.4 黑液、绿液浓度测量技术的实际应用

蒸发工段:在浓黑液闪蒸罐泵出口、入炉浓黑液闪蒸罐泵出口的黑液浓度测量时,选择在线折光仪;在稀黑液泵出口稀黑液浓度测量时,选择放射源测量系统。

燃烧工段:在入炉黑液浓度测量、碱炉至苛化绿液浓度测量时,选择在线折光仪;送苛化绿液/稀白液的密度测量时,选择放射源测量系统。

3 纸浆浓度计的安装及注意事项

3.1 刀式浓度计

刀式浓度计变送器的安装应避免机械损伤和振动,可安装在垂直、水平和倾斜的浆管上。其中,垂直安装可以避免管道内浆流分层使检测信号不准,应优先选择垂直安装。在垂直的浆管上安装时,应安装在管道的外侧,并与泵的轴线垂直;在水平、倾斜的浆管上安装时,应安装在侧面,如图5所示。管路中易积聚大量空气,顶部安装影响测量精度。变送器刀片与供浆管道平行,且与浆液流动方向一致。垂直安装和水平安装对直管段要求相同。仪表前要求直管段长度为10倍管道直径(10D),仪表后要求直管段长度为5倍管道直径(5D)。

图5  刀式浓度计变送器安装图

Fig. 5  Instrument installation of blade type consistency transmitter

刀式变送器应尽量靠近稀释水进口处安装,以便减小被调对象的滞后。稀释水进口位于浆池和浆泵之间,离浆泵1/3处,稀释水管垂直插入浆泵入口管15~50 mm,并保持水压稳定。稀释水调节阀尽可能靠近稀释水进口,阀门两端压差稳定,保证稀释水流量值稳定,确保浓度调节系统良好运行。

3.2 旋转式浓度计

旋转式浓度计变送器可以安装在水平、垂直或倾斜的管道[

5];在工艺管道≤250 mm时使用测量室;≥300 mm时用焊接短管。

旋转式浓度计变送器有前、后直管段的要求,根据被测浆液浓度不同,对检测管道前直管段的要求也不同。当浆液浓度<8%时,上游直管段最小长度为1 m或3倍管道直径(3D);当浆液浓度>8%时,上游直管段最小长度为0.5 m或1.5倍管道直径(1.5D)。旋转式浓度计变送器下游直管段最小长度为0.5 m或1.5倍管道直径(1.5D)。

旋转式浓度计变送器应尽量靠近稀释水进口处安装,保证最短时间迟[

6]

旋转式浓度计变送器电机轴承需加密封水,采用塑料软管接入和排出密封水,并在接入管上加1个DN10阀门,如图6所示。

图6  旋转式浓度计变送器安装图

Fig. 6  Instrument installation of rotating type consistency transmitter

3.3 光学浓度计

光学浓度计变送器的安装应避免机械损伤和振动,安装位置对前后直管段长度没有要求,安装时尽量靠近泵出口处,也就是尽量靠近稀释水进口处安装,以便减小被调对象的滞后,如图7中A处测量点。

图7  光学浓度计变送器安装图

Fig. 7  Instrument installation of optical consistency transmitter

3.4 微波浓度计

微波浓度计变送器的安装应避免机械损伤和振动,可安装在垂直、水平和倾斜的浆管上,在垂直的浆管上安装时应安装在浆流回路的外侧;在水平、倾斜的浆管上安装时应安装在侧面,如图8所示。

图8  微波浓度计变送器安装图

Fig. 8  Instrument installation of microwave consistency transmitter

微波浓度计变送器有前、后直管段长度的要求,根据被测浆液浓度不同,微波浓度计变送器对检测管道前、后直管段的要求也不同。当浆液浓度(Cs)<8%时,微波浓度计变送器检测直管段满足前4倍管道直径(4D)后2倍管道直径(2D);当浆液浓度>8%时,微波浓度计变送器检测直管段满足前2倍管道直径(2D)后1倍管道直径(1D)。微波浓度计变送器垂直安装和水平安装直管段要求相同。

微波浓度计变送器应尽量靠近稀释水进口处安装,以便减小被调对象的滞后,保证最短的时间迟滞。

4 黑液浓度计的安装及注意事项

4.1 在线折光仪安装

4.1.1 在线折光仪传感器

在线折光仪传感器安装的管道位置,应为带压满管、流动性好、方便人员操作,具体安装见图9。在正确方向开孔,安装时先在管道上焊接好隔离阀前端装置,再装配隔离阀(如图10(a)所示),管道吹扫干净后,用牵引器插入传感器(如图10(b)所示)。

图9  折光仪安装图(Ⅰ)

Fig. 9  Instrument installation of refractometer(Ⅰ)

图10  在线折光仪安装图(Ⅱ)

Fig. 10  Instrument installation of refractometer(Ⅱ)

4.1.2 在线折光仪传感器的蒸汽清洗系统

在线折光仪使用中,需要用中压蒸汽或高压水(特殊工况)对棱镜进行清洗,见图9。冲洗蒸汽压力至少比工艺管道介质的压力高0.6~0.8 MPa,但最高不超过1.3 MPa,黑液浓度越高,棱镜清洗所需蒸汽压力越大;黑液温度越低,黑液的黏附加剧,所需蒸汽压力也越大。为避免蒸汽压力过高而损伤棱镜,要求蒸汽压力不高于1.3 MPa,温度不高于180 ℃。

从蒸汽主管到在线折光仪的蒸汽管线应妥善保温,并在蒸汽主管线上布置蒸汽过滤器、疏水器,保证蒸汽管上的蒸汽质量。

根据现场蒸汽条件,可在过滤器后设置蒸汽减压阀,配合蒸汽压力表根据实际需要,灵活调整所需蒸汽压力。

在线折光仪所需的安装附件,如疏水器、气动关闭阀及电磁阀、蒸汽过滤器、蒸汽软管和可插拔喷嘴、在线折光仪传感器到折光仪变送器的DP电缆等,一般成套供货。

通过变送器上的可编程继电器控制关闭阀的开闭,每次清洗时间3~5 s,间隔时间10~20 min。清洗时间和间隔时间取决于黑液黏附程度。

4.1.3 压缩空气

在线折光仪需设置一路仪表用压缩空气,用于蒸汽清洗系统的阀气源关闭。

4.2 放射源测量系统安装

放射源密封放置在源盒中,射线仅可沿一个方向辐射传播,其他方向上的射线辐射均被屏蔽。源盒关闭时,所有方向上的射线辐射均被屏蔽。一体式变送器接受射线,并转换成浓度信号(如图11所示)。辐射路径越长,测量效果越好。因此,在小口径管道中测量时应选择对角辐射路径(如图12(a)所示)或在增程测量段内测量(如图12(b)所示)。气泡和沉积物对测量均有影响。

图11  放射源测量系统安装图(Ⅰ)

Fig. 11  Instrument installation of radioactive source meter measuring system (Ⅰ)

图12  放射源测量系统安装图(Ⅱ)

Fig. 12  Instrument installation of radioactive source meter measuring system(Ⅱ)

放射源测量系统安装位置要求:距离管道弯头的距离不小于3倍管道直径(3D),距离泵不小于10倍管道直径(10D)。

放射源测量系统优先考虑安装在介质自下向上流动的竖直管道。安装在水平管道中进行浓度测量时,应选择水平辐射路径。

5 结论

纸浆浓度、黑液浓度、绿液浓度是制浆造纸生产流程中的重要工艺参数,采用恰当的浓度测量装置来实现准确的浓度测量,需考虑很多因素去进行选择,同时还要选择正确的安装方式,才能完美实现对浓度的精准测量,满足工艺的操作要求,从而保证工艺生产过程的稳定及产品质量,减少能耗。

对纸浆浓度计的选用,一方面要考虑工况的情景,另一方面还要根据工艺对控制精度的要求,同时适当兼顾性价比进行选择,以满足浓度测量对重复性的高要求。另外,纸浆浓度计对前后工艺直管段长度有要求,若不能满足,要考虑设置导流板,以降低浓度传感器对直管段长度的要求。

对黑液、绿液浓度测量,目前大多采用在线折光仪和放射源测量系统2种方式,前者较贵,后者成本较低,各有特色,取决于安装位置和工艺状况,以及投资成本。总之需兼顾具体的工艺环境需求和合适的性价比等诸多因素,来选择合适的黑液、绿液浓度测量装置。

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