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。
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
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
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 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
静刀式浓度计具有成本低、无移动部件、维护简单等特
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 动刀式浓度计测量原理
Fig. 2 Measurement principle of moving blade type consistency transmitter
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 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。
光学测量法在线纸浆浓度计(以下简称光学浓度计)(见

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
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
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。
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
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 |
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。
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。
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。
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
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 |
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 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。
旋转式浓度计变送器可以安装在水平、垂直或倾斜的管道
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
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 旋转式浓度计变送器安装图
Fig. 6 Instrument installation of rotating type consistency transmitter
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 光学浓度计变送器安装图
Fig. 7 Instrument installation of optical consistency transmitter
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 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。
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 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)
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
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。
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 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。
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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